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 khoaĐộc lập-Tự do-Hạnh phúc
Hà nội ====0====Họ và tên: Nguyễn Thanh Lịch
Khoá : 43
Nghành học: Tự động hoá.

U
d
75V ; U
dmax
= 130V ; P
đm
= 24KW ; R
kđ
= 0,8
Điện áp nguồn: U = 3x380V.

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
: 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

35
- 2 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
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 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

và lồng sóc khởi động hết tác dụng.
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.
*- 4 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
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

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.
5 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
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.
./0&(12
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.
34+
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:

BAL
( Lkt>>Rkt )

* 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:
6- 7 -
I2a
t
u
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
- 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:

Lkt
( Lkt>>Rkt )
La
Lb
Lc
Ua
Ub
Uc
Đồ thị điện áp và dòng điện:
7- 8 -


cos.17,1cos
2
63
22
UUU
d
==
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.


- 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

d
i
T1
i
T4
I
2a




u
a
u
b
u
c
t
u
i
d
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
I
T
= I
d
/3
- Công suất của máy biến áp :
S
ba

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


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

c
T
1
T
3
T
5
T
1
D
6
D
2
D
4
D
6
t
u

Id

T1
i
T1
I
d
i
D4
I

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 đợc 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.
- 12 -

:
999à

:
99à
;<
;<


=>/1
?@&'
9
A



Đồng pha TXRC SS Tạo dạng

: dòng duy trì của tiristor.
di/dt: tốc độ tăng của dòng tải.
Yêu cầu về độ dốc sờn trớc của xung:
- Độ dốc sờn trớc của xung càng cao thì việc mở tiristor càng dễ. Thông thờng yêu cầu độ
dốc sờn trớc của xung điều khiển là:

1,0
dt
dI
dk
A/às.
- Độ dốc sờn trớc của xung càng tăng thì đốt nóng cục bộ tiristor càng giảm.
Yêu cầu về tính đối xứng của xung trong kênh điều khiển:
!- 13 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
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.
*B234(1&'
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.

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 nh hình 1.
- Mạch dùng transistor và các linh kiện điện tử khác nh hình 2.
- 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.
15 -
Utựa
U
l


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

dt
=1,6ữ2.
- Do đó: U
ngmax
= 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

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 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:

ba
: Công suất biểu kiến MBA (VA).
Thay số vào ta có :

)(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)
7- 18 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
a- Tính toán chiều cao sơ bộ của trụ :
Dựa vào công thức kinh nghiệm:



=cìS
T
ì
b
ìl
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


1

1

1
2

1
l
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
t: Số gông (t=2)
T
G
: Tiết diện gông.

b:
: Tỷ trọng tôn silic.
l
G
: Chiều dài của gông.
Thay số vào ta có :
G
g
= 2ì0,78ì7,5ì4,35=50 (kg).
Trọng lợng lõi thép MBA:
G=G
T
+G
g

=
ìì
ì

(lá).
9- 20 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
LAM.
Thiết kế mạch điều khiển
C,DNO40G#$PD1Q(1

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

=(U
I
-U
ng1
)< 0 thì U
II
=-( E-2) V. Vì vậy mà điện áp ra có dạng
xung chữ nhật nh hình vẽ.
- 21 -
T ime [s]
0.00 20.00m 40.00m 60.00m
Output vol tage [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
+ t
n
=0,01 s

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


)(65,2
1

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:
- 22 -
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
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
- Gọi I
d
là dòng chảy qua tải R
d
( chọn R
d
=56 ).Ta có:

(V).
Với hệ số dự trữ là k=2 thì U
ngmax
=34ì2=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
=0,58ìI
d
=0,116 (A).
N1D4RS

C1
DZ
OP2
+E
-E
R4
R5
D3
RX2
R6
+E
( II )
( III )
a/ Nguyên lý hoạt động
Điện áp đồng pha U

III
> 0 và tụ C1 đợc nạp thông qua R5 và D3 về OP1 với dòng nạp:
I
C
= I
2
- I
2
!- 23 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
Trong đó: I
C
, I
2
, I
2
, đợc kí hiệu nh trên hình vẽ.

2424
2
15
xx
RRRR
E
I
+
=
+
=


+
= 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

= 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

+
+

=+

=10V và t
p
=9,5ms nh đã chọn, từ (2) ta có:

DZ
X
p
U
CRR
t
=
+
124
)(
15

10
)(
10.5,9.15
124
3
=
+

CRR
X
(R
4
+ R
X2

5,13
(
3
3
15
=


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)

: àA741 có các thông số:
U
ng
= 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.