THIẾT KẾ MÔN HỌC
MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
ĐỀ BÀI: Đề số 30
Thiết kế bộ kích từ cho động cơ đồng bộ
Yêu cầu công nghệ Thông số thiết kế
Thiết kế mạch chỉnh lưu có điều khiển Động cơ 1850HP, Kích từ 25 DVC, 15KW
Hải Phòng, năm 2012
ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ
1
Mục lục
Lời mở đầu
Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ và phương pháp điều khiển
kích từ của động cơ đồng bộ ba pha
1.1: Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị được giao thực hiện thiết kế,
công nghệ kích từ.
1.1.1: Nguyên tắc điều khiển mở máy
1.1.2: Nguyên tắc điều chỉnh kích thích
1.2: Giới thiệu chung về mạch lực, mạch điều khiển.
1.2.1: Giới thiệu về mạch lực
1.2.2: Giới thiệu chung về mạch điều khiển
Chương 2 : Thiết kế mạch lực
2.1: Chọn phương án chỉnh lưu
2.2: Lựa chọn phương án thiết kế mạch điều khiển
2.3: Tính toán chọn van
2.4: Tính toán các thông số điện áp, dòng điện và công suất máy biến áp
2.5: Tính toán mạch từ MBA
Chương 3 : Thiết kế mạch điều khiển
3.1: Tính toán khâu đồng pha và nguyên lý hoạt động của mạch.
3.2: Giới thiệu các khâu điều khiển cần biết
3.2.1: Khâu tạo điện áp răng cưa.
3.2.2: Khâu so sánh.

quá trình khởi động là phải điều khiển cả hai giai đoạn đó trong mạch stato
cũng như trong mạch roto.
4
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 phụđể 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:
M
c
≤ 40%M

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.
1.2: Giới thiệu chung về mạch lực, mạch điều khiển.
6
1.2.1: Giới thiệu chung 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.

x
=1000 µs
t
x
=100 µs
(2)
(1)
I
II
đường giới hạn
công suất điều khiển
0
U
đk
I
đk
8
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

• 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.
Chương 2: Thiết kế mạch lực
Sơ đồ nhuyên lý:

T1
T3 T5
T2
T4
T6
Rkt
Lkt
( Lkt>>Rkt )
La
Lb
Lc
Ua
Ub
Uc
2.1: 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)

11
u
t
* 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.
αα
π
cos.17,1cos
2
63
22
UUU
d
==
Giá trị trung bình của điện áp
trên tải:
- Giá trị điện áp ngược trên van:

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

T1
T3 T5
T2
T4
T6
Rkt
Lkt
( Lkt>>Rkt )
La
Lb
Lc
Ua
Ub
Uc
Đồ thị điện áp và dòng điện:
- 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.
13
b
- Sơ đồ hình từ ba pha thứ hai ghép anot chung gồm T
2
, T
4

- 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:
14
T1
T3 T5
T2
T4
T6
Rkt
Lkt
( Lkt>>Rkt )
La
Lb
Lc
Ua
Ub
Uc
Sơ đồ gồm hai nhóm:

= I
d
/3
- Giá trị điện áp ngược lớn nhất:
2max
6UU
ng
=
15
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.
2.2: Lựa chọn phương 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 được tín hiệu điều khiển cần thiết:
ng phađồ
U
t aự
So sánh
K XĐ

tựa
. Ví dụ:
- Mạch chỉ dùng diode, tụ điện và điện trở ghép lại với nhau như hình 1.
- Mạch dùng transistor và các linh kiện điện tử khác như hình 2.
- Mạch dùng khuếch đại thuật toán như hình 3.
17
R
S ơ đồ
m ch:ạ
R1
R2
D1
D2
C
+Ung
-Ung
Hình 1.
R
CUdp
Ecc
Hình 2.
Udp
Dz
C
E+
E-
Hình 3.
ở sơ đồ hình 1 ta có một mạch tạo U
tựa
tương đối đơn giản, dễ lắp đặt, rẻ

khối phát xung chùm với dạng xung mong muốn mà giá rẻ và chất lượng
cao.
2.3: Tính toán chọn van
U
ng
= K
ng
×U
2f

Trong đó : U
2f
= 10,68 V và
6
=
n
K
- Suy ra: U
ng
= 26,16 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

+ Dòng điện các cuộn dây:
- Dòng điện của cuộn thứ cấp:
I
2
= K
2
.I
d
= 0,82.600 = 492 A
- Dòng điện của cuộn sơ cấp:
I
1
= K
ba
.K
1
.I
d
= 23,88 A
Ta tiến hành chọn máy biến áp với các thông số trên.
2.5: Tính toán mạch từ MBA
Chọn mạch từ 3 trụ tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức:

fc
S
KQ
ba
×
×=


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
b
a
2
2
a
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

470
1035,05,9
78
2
1
=
××
×
−
(lá).
-Số lá chắn đầu dài:
235
1035,05,9
78
1
1
=
××
×
−
(lá).
22
a
l
CHƯƠNG 3: Thiết kế mạch điều khiển
1. Tính toán khâu đồng pha và nguyên lý hoạt động của mạch.

R1
R2
R3

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.
23
T ime [s]
0.00 20.00m 40.00m 60.00m
Output voltage [V]

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


ng
=
-Vì dòng yêu cầu vào OP1 nhỏ nên chọn R
1
=R
2
=10 (kΩ).
Chọn R
3
=1(kΩ).Ta có:

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

=
×
==

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