Đồ án điện tử công suất Nguyễn Cao Long –TĐH3-K47
Lời nói đầu
Trong những năm gần đây cùng với việc phát triển ngày càng mạnh mẽ của các lĩnh vực
khoa học, ứng dụng của chúng vào các ngành công nghiệp nói chung và các ngành điện tử nói
riêng, các thiết bị điện tử có công suất lớn được chế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng
của nó trong nền kinh tế quốc dân cũng như trong đời sống làm cho yêu cầu về sự hiểu biết và
thiết kế các loại thiết bị này là hết sức cần thiết đối với sinh viên, kỹ sư ngành điện.
Hiện nay mạng điện ở nước ta chủ yếu là mạng điện xoay chiều với tần số công nghiệp.
Để cung cấp nguồn điện một chiều có giá trị điện áp và dòng điện điều chỉnh được cho những
thiết bị điện dùng trong các hệ thống truyền động điện một chiều người ta đã hoàn thiện bộ
chỉnh lưu có điều khiển dùng Tiristor
Trong đề tài của em là thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc
lập có đảo chiều theo nguyên tắc điều khiển chung. Mạch đảm bảo điều chỉnh tốc độ trơn và
có khâu bảo vệ chống mất kích từ. Bao gồm các chương:
Chương I : Giới thiệu về động cơ điện một chiều
Chương II: Lựa chọn các phương án
Chương III: Xây dựng chi tiết toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế
Chương IV: Tính toán mạch lực
Chương V : Tính toán mạch điều khiển
Chương VI : Kiểm chứng mạch thiết kế bằng chương trình TINA
Qua việc thiết kế đồ án đã giúp em hiểu rõ hơn những gì mình đã được học trong môn
Điện tử công suất. Hiểu được những ứng dụng thực tế của các thiết bị công suất trong đời
sống cũng như trong công nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giảng dạy bộ môn
Điện tử công suất, đặc biệt là thầy Phạm Quốc Hải đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này.

Sinh Viên:
Nguyễn Cao Long
Nhóm 4- Lớp Tự Động Hoá 3 – K47
1
Đồ án điện tử công suất Nguyễn Cao Long –TĐH3-K47
Mục lục

tục trong phạm vi rộng nh máy cán thép, máy công cụ lớn đầu máy điện . Vì động cơ điiện 1
chiều có những u điểm nh khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng mở máy lớn và khả
năng quá tải. Bên cạnh đó động cơ điện 1 chiều cũng có những nhợc điểm nhất định nh giá
thành đắt, chế tạo và bảo quản phức tạp . Nhng do những u điểm của nó nên nó vẫn có 1 tầm
quan trọng nhất định trong sản xuất.
Ngày nay hiệu suất của động cơ điện 1 chiều công suất nhỏ vào khoảng 75% - 85%, ở
động cơ điện công suất trung bình và lớn vào khoảng 85% - 94%. Công suất lớn nhất của động
cơ điện 1 chiều hiện nay vào khoảng 10000KW. Điện áp vào khoảng vài trăm đến 1000V. H-
ớng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và
chế tạo những máy công suất lớn.
2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều
2.1Phần tĩnh ( Phần cảm hay stator)
Là phần đứng yên, bao gồm các bộ phận chính:
a) Cực từ chính :
Đợc làm bằng thép kĩ thuật dạng thép khối hoặc tấm, xung quanh có dây quấn cực từ
chínhgọi là kích từ. Nó thờng đợc nối với nguồn 1 chiều. Nhiệm vụ là tạo ra từ thông trong
máy.
b) Cực từ phụ :
Đợc đặt xen giữa các cực từ chính, xung quanh cực từ phụ có dây quấn cực từ phụ. Dây
quấn cực từ phụ đấu nối tiếp với dây quấn roto, Nhiệm vụ của cực từ phụ là triệt tiêu từ tr-
ờng phần ứng ( Từ trờng do dòng điện roto sinh ra ). Trên vùng trung tính hình học để hạn
chế xuất hiện tia lửa điện trên chổi than và cổ góp.
c) Vỏ máy ( Gông từ )
Ngoài nhiệm vụ thông thờng nh các vỏ máy khác, vỏ máy điện 1 chiều còn tham gia dẫn
từ, vì vậy nó phải đợc làm bằng thép dẫn từ.
2.2 Phần quay ( Phần ứng hay roto )
a) Lõi thép roto
Dùng để dẫn từ, thờng dùng những tấm thép kĩ thuật điện dầy 0.5mm phủ cách điện
mỏng ở 2 mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép
có dập rãnh để quấn dây

) thỡ
in ỏp hai u ng c s thay i theo qui lut :
E
d
= (1% ữ 42% )U
m
Khi dũng i
kt
cũn

nh thỡ E

hoc U tng t l thun vi i
kt
nhng khi U
kt
bt u ln thỡ t
thụng trong lừi thộp bt u bóo ho . Cui cựng khi i
kt
= i
ktbh
thỡ U = E

bóo ho hon
ton.
4
Đồ án điện tử công suất Nguyễn Cao Long –TĐH3-K47

2.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập :
Để thành lập phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ phương trình cân bằng điện áp của

ư
: Dòng điện mạch phần ứng
Với R
ư
= r
ư
+ r
cf
+ r
b
+ r
ct
r
ư
: Điện trở cuộn dây phần ứng
r
cf
: Điện trở cuộn cực từ phụ
r
b
: Điện trở cuộn bù
r
ct
: Điện trở tiếp xúc của chổi than
Sức điện động E
ư
của phần ứng động cơ xác định theo biểu thức
E
ư
=


u u u f
u
E U R + R
= - .I
k k k
φ φ φ

u u f
u (2)
U R + R
= - .I
k k
ϖ
φ φ
 ϖ = f (I) : Đặc tính cơ điện
Mặt khác mô men điện từ của của cơ điệ được xác định bởi :
M
đt
= k .φ. I
ư
=> I
ư
=
dt
M
K.
φ
Thế vào (2) =>
2

ω
0

ω
đm
N
ω
đm
6
Đồ án điện tử công suất Nguyễn Cao Long –TĐH3-K47
I M
I
đm
I
nm
M
đm
M
nm
uU
=
k
0
ϖ =ϖ
φ
ϖ
0
: Gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ, còn khi ϖ
0
= 0 ta có :

Độ sùt tốc độ
ω
ω
0
∆ω
2.5 Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tình cơ.
Từ phương trình đặc tính cơ :
2
u u f

U R + R
= - .M
k (k
ω
φ φ)
ta thấy có 3 tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ đó là : Từ thông động cơ φ , Điện áp phần ứng
U
ư
, và điện trở phần ứng của động cơ . Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó .
a) Ảnh hưởng của điện trở phần ứng :
Giả thiết U
ư
= U
đm
= Const
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R
f
vào mạch phần ứng .
7
ỏn in t cụng sut Nguyn Cao Long TH3-K47


c in :
- Tc n bng phng
- Phm vi iu chnh rng
- Vựng iu chnh tc n
c
< n
m

- Vic iu chnh tc thc hin trong mch phn ng cú dũng in ln , tn hao vụ ớch
nhiu , h s ng c gim
b) nh hng ca in ỏp phn ng
Giả thiết =
đm
= const, điện áp phần ứng R = const trong thực tế thờng giảm điện áp.
- Tốc độ không tải lý tởng:
0x
=
dm
Ux
=
k.
variable, U giảm thì
0x
giảm
801


áp thì mô men ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ của động cơ
cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Vì vậy phơng pháp này cũng đợc sử dụng để
điều chỉnh tốc độ và hạn chế dòng điện khi khởi động
*.Đặc điểm
- Tốc độ điều chỉnh bằng phẳng
- Phạm vi điều chỉnh rộng
- Vùng điều chỉnh tốc độ n
c
< n
m
- Để thực hiện phơng pháp này ta cần phải có nguồn điện áp thay đổi đợc(bộ biến đổi
điện áp bằng điện tử công suất ).
c.ảnh hởng của từ thông
Giả thiết đIện áp phần ứng U = U
đm
= const, điện trở phần ứng R

= const. Muốn thay
đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ I
kt
động cơ
- Tốc độ không tải:
0x
=
dmU
k x
= var
- Độ cứng đặc tính cơ : =
2
u

họ đặc tính cơ với
0x
tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần.

*.Đặc điểm
- Tốc độ bằng phẳng
- Phạm vi rộng
- Vùng điều chỉnh n
đm
< n
đc
- Với điều chỉnh tốc độ thực hiện trong máy kích từ thì dòng điện nhỏ,
tổn hao ít, hiệu suất cao.
ChngII
LA CHN CC PHNG N
Theo bi l thit k ngun cp in cho ng c in 1 chiu kớch t c lp cú o
chiu theo nguyờn tc iu khin chung vi :
U
m
= 600 (V) I
m
= 10 (A)
U
kt
= 400 (V) I
kt
= 0,9 (A)
Phm vi iu chnh 25 : 1
Ta xột 1 s s 3 pha :
I) : S CHNH LU TIA 3 PHA

của một pha dơng nên chỉ có một van dẫn mà thôi.
11
ỏn in t cụng sut Nguyn Cao Long TH3-K47
b. Nguyên lý hoạt động.
Khi anốt của van nào dơng hơn thì van đó mới đợc kích mở, thời điểm hai điện áp của
hai pha giao nhau đựơc gọi là góc thông tự nhiên của các van bán dẫn. Trong trờng hợp
này ta xét với góc = 75 tính từ thời điểm mở tự nhiên
- ở thời điểm = 75 phát xung điều khiển I
G1
, lúc này T
1
thoả mãn hai điều kiện U
AK
>
0 , I
G1
> 0 T
1
mở (T
2,
T
3
khoá ). Do trong mạch có thêm điện cảm L nên xuất hiện giai
đoạn điện áp âm của pha A tới khi xuất hiện xung điều khiển I
G2
của T
2
lúc này tiristor T
2
thoả mãn hai điều kiện là U

*Điện áp trung bình nhận đợc trên tải là

5
+
6

+
6
2
2 2
d
3 6U
3
U 2.U sind .cos 1,17U cos
2 2
= = =

= U
do
cos
*Dòng điện trung bình nhận đợc trên tải là :
I
d
=
d
d
U
R
Nhận xét
- Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp trên tải liên tục hay gián đoạn phụ thuộc

3
,T
5
tạo thành một chỉnh lu tia 3 pha cho điện áp dơng
tạo thành nhóm anốt. Còn T
2
,T
4
,T
6
là chỉnh lu tia 3 pha cho điện áp âm tạo thành nhóm
catốt, hai chỉnh lu này ghép lại thành cầu 3pha
Chỉnh lu tia 3pha điều khiển đối xứng thì dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy từ
pha này sang pha kia, do đó tại mỗi thời điểm cần mở tiristor chúng ta cần cấp hai xung
điều khiển đồng thời (một xung ở nhóm anốt dơng, một xung ở nhóm catốt âm )
14
ỏn in t cụng sut Nguyn Cao Long TH3-K47
b) Nguyờn lý hot ng
- Điện áp các pha thứ cấp biến áp
u
2a
=
2
2U sin
u
2b
=
2
2
2U sin(- )

2a
> u
2c
lúc này T
6
,T
1
cho dòng chảy qua, điện áp nhận đợc trên tải là
u
d
= u
ab
= u
2a
u
2b
15
ỏn in t cụng sut Nguyn Cao Long TH3-K47
- Thời điểm
3

6
= +
cho xung điều khiển mở T
2
tisistor này mở vì khi T
6
dẫn
dòng nó đặt điện áp u
2b

T
5



+=
6
3
T
2
T
6



+=
6
5
T
3
T
1



+=
6
7
T
4

U
d
= V
F
V
G
5
+
6

+
6
d
2 2 2
6 3 6
U 2U sind U cos 2,34U cos
2
= = =

cũng có thể tính U
d
= U
dI
U
dII
U
dI
là trị trung bình của u
dI
do nhóm catôt chung tạo lên


- Điện áp ngợc mà các van phải chịu ở chỉnh lu cầu 3 pha sẽ bằng 0 khi van dẫn và
sẽ bằng điện áp dây khi van khoá
-Dòng điện trên tải là :
d d
d
d
U - E
I
R
=
Nhận xét : Hình dáng điện áp nhận đợc trên tải không có sự xuất hiện của suất phản điện
động E
d
khi chế độ dòng điện trên tải là liên tục. Còn khi chế độ dòng điện gián đoạn suất
phản điện động E
d
sẽ xuất hiện trên điện áp U
d

*u điểm
- Chất lợng điện áp trên tải tốt
- Độ bằng phẳng tơng đối cao
*nhợc điểm
- Cần phải mở đồng thời hai van theo đúng thứ tự pha do vậy không ít khó khăn khi
chế tạo, vận hành và sửa chữa.
2.Chnh lu cu 3 pha iu khin khụng i xng.
Loại chỉnh lu này đợc cấu tạo từ một nhóm (anốt hoặc catốt ) điều khiển và một nhóm
không điều khiển.
17

2b
điốt D
2
mở cho dòng i
d
chảy
qua D
2
và T
5
, u
d
= 0.
-
2
cho xung điều khiển mở T
1
, trong khoảng
2 3


thì T
1
và D
2
cho dòng I
d
chảy qua, D
2
đặt điện thế u

ỏn in t cụng sut Nguyn Cao Long TH3-K47
- Sơ đồ đơn giản, rẻ tiền
- Sơ đồ chỉnh lu bán điều khiển thì hệ số công suất cos cao hơn so với sơ đồ chỉnh
lu điều khiển hoàn toàn
- So với sơ đồ điều khiển đối xứng thì sơ đồ chỉnh lu bán điều k hiển thì việc điều
khiển các van bán dẫn thực hiện đơn giản hơn
*Nhợc điểm
- Điện áp chỉnh lu chứa nhiều thành phần sóng hài lên cần phải có bộ lọc
- Không đảo đợc chiều dòng
- Không thực hiện đợc chế độ nghịch lu phụ thuộc
- Dòng trung bình qua các van là khác nhau
tbD d
tbT d
+
I I
2
-
I I
2
=
=
* Nghịch l u phụ thuộc
- Nghịch là quá trình chuyển năng lợng từ phía dòng một chiều sang dòng xoay chiều (quá
trình chuyển năng lợng ngợc lại với chế độ CL ). Trong hệ TĐĐ một chiều, động cơ điện
cần làm việc ở những chế độ khác nhau trong đó có lúc động cơ trở thành máy phát điện.
Năng lợng phát ra này trả về lới điện xoay chiều. Để thoả mãn yêu cầu này bộ CL chuyển
sang hoạt động ở chế độ nghịch lu vì nó hoạt động (đồng bộ ) theo nguồn xoay chiều nên
gọi là nghịch lu phụ thuộc.
-Nh vậy mạch điện lúc này có 2 nguồn sức điện động :
e

1501
=180
2
= 150
180
ỏn in t cụng sut Nguyn Cao Long TH3-K47
+Về phía xoay chiều :điểu khiển mạch chỉnh lu sao cho điện áp u
d
<0 để có dấu phù hợp
dòng tức là bộ chỉnh l làm việc chủ yếu ở nửa chu kỳ âm của lới điện.
+Trong trờng hợp không đảo đợc chiều E
d
ta buộc phải dùng một mạch chỉnh lu khác đấu
ngợc với mach cũ để dẫn đợc dòng điện theo chiều ngợc lại.
-Nh vậy nghịch lu phụ thuộc thực chất là chế độ khi bộ chỉnh lu làm việc với góc điểu
khiển lớn .Do đó toàn bộ các biểu thức tính toán vẫn đúng chỉ cần lu ý rằng E
d
có giá tri
âm.
Kết luận : Từ các phơng án đã đề xuất ở trên ta nhận thấy rằng sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha là
sơ đồ có chất lợng điện áp tốt nhất, hiệu suất sử dụng biến áp tốt nhất vì vậy với yêu cầu của
tải là điều chỉnh trơn tốc độ có đảo chiều quay nên ta chọn sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha đốu
xứng để thiét kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập có đảo chiều
quay là phù hợp nhất
Chng III
XY DNG CHI TIT TON B S NGUYấN
Lí MCH THIT K

Suy ra
U
d0
cos
I
= - U
d0
cos
II
cos
I
+ cos
II
= 0

I
+
II
= 180 (Luật phối
hợp điều khiển )
20
ỏn in t cụng sut Nguyn Cao Long TH3-K47
Từ luật phối hợp điều khiển ta thấy rằng khi
I
< 90
II
= 180 -
I
> 90 do đó bộ
biến đổi I(BBĐI) làm việc ở chế độ chỉnh lu còn bộ biến đổi II(BBĐII) sẽ làm việc ở chế độ

3CC
T4
T1
T6
T3
T2
T5
R1
C1
R1
C1
R1
C1
R1
C1
R1
C1
R1
C1
Lcb
Lcb
T6'
T2'
T1'
T3'
T5'
R1
C1
R1
C1

để không cho dòng điện chạy từ bộ BBĐ1 sang bộ BBĐ2. Từng bộ biến
đổi có thể làm việc ở chế độ chỉnh lu hoặc nghịch lu
Nếu góc
I
là góc mở đối với bộ BBĐ1 và góc
II
là góc mở đối với bộ BBĐ2 thì sự phối
hợp giữa góc
I,
,
II
phải đợc thực hiện theo quan hệ
I
+
II
= 180, sự phối hợp này gọi là phối
hợp tuyến tính
Giả sử cần động cơ quay thuận ta có BBĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lu

I
= 0ữ90 U
dI
> 0, bấy giờ
II
> 90 BBĐ2 làm việc ở chế độ nghịch lu U
dII
<0.
Cả hai điện áp U
dI
và U

0
BBĐ1 là U
dII
= U
0
cos150 = -
2
3
U
0

Vậy BBĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lu còn bộ BBĐ2 làm việc ở chế độ nghịch lu
Nếu cần giảm tốc độ quay của động cơ ta có u
c
= u
c2
với góc mở
I
= 60
II
= 120 lúc
này điện áp trên BBĐ1 là U
dI
= U
0
cos60 =
2
1
U
0

23
ỏn in t cụng sut Nguyn Cao Long TH3-K47
- Điện áp đồng bộ kí hiệu là u
s
đồng bộ với điện áp đặt trên tiristor, thờng đặt vào đầu đảo
của khâu so sánh
- Điện áp điều khiển kí hiệu là u
cm
(điện áp một chiều có thê điều chỉnh đợc biên độ ) thờng
đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh
Bấy giờ hiệu điện thế đặt vào khâu so sánh là u
d
= u
cm
u
s
, khi u
s
= u
cm
khâu so sách lật
trạng thái ta nhận đợc sờn ra của điện áp đầu ra của khâu so sánh, sờn này thông qua đa hài
một trạng thái ổn định tạo ra một xung điều khiển
b.Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển
c.Các khâu trong mạch điều khiển
Phn ny trỡnh by v nguyờn lớ v cu trỳc s b ca tng khõu trong mch iu
khin. C th nh sau :
. Khõu ng pha B:
Khõu ny to ra mt in ỏp cú gúc lch pha cú nh vi in ỏp t lờn vam lc, phự
hp nht cho mc ớch ny l s dng bin ỏp. Bin ỏp cũn t thờm hai mc ớch quan trng

Xung chùm thực chất là một chùm các xung có tần số cao gấp nhiều lần lưới điện
(f
xc
=8:12kHz). Độ rộng của xung chùm có thể được hạn chế trong khoảng 100—130 độ điện ,
về nguyên tắc nó phải kết thúc khi mà điện áp trên van lực mà nó điều khiển chuyển sang dấu
âm.
Nguyên tắc tạo xung chùm là coi tín hiệu do bộ so sánh đi ra như tín hiệu cho phép hay
cấm khâu khuyếch đại xung được nhận xung tần số cao phát ta từ một bộ tạo dao động. Việc
làm này được thực hiện bằng cách đưa tín hiệu khâu so sánh và tín hiệu bộ tạo dao động vào
cùng một cổng Logic And.
Ở đây ta tạo ra dao động bằng một mạch tạo dao 555
.Khâu khuyếch đại xung KĐX:
Có nhiệm vụ khuyếch đại công suất của xung điều khiển đảm bảo chắc chắn mở van
mạch lực. Ngoài ra khâu này còn làm nhiệm vụ cách li mạch lực và mạch điều khiển. Có hai
loại cách li là cách li bằng biến áp và cách li bằng ánh sáng.
Ở đây ta sử dụng cách cách li bằng biến áp xung. Đồng thời tầng khuyếch đại sử dụng
một Transistor Darlington nhằm tăng hệ số khuyếch đại lên hằng trăm lần.
.Khâu phản hồi:
Bao gồm hồi tiếp tốc độ, bộ khuyếch đại tín hiệu. Do tín hiệu từ phía động cơ nhỏ nên
ta phải bố trí bộ khuyếch đại trước khi đưa vào bộ điều chỉnh. Bộ phản hồi có tác dụng nhận
thông tin từ phía tải để báo cho mạch điều khiển biết về tốc độ động cơ. Tuỳ theo tốc độ của
động cơ mà mạch điều khiển sẽ bố trí phát thêm công suất hay giảm công suất đi tới khi tốc độ
đạt yêu cầu.
Khâu phản hồi còn có tác dụng ổn định tốc độ của động cơ, Giảm quá trình quá độ
dòng điện lúc khởi động
25