Lời nói đầu
Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của các ngành
khoa học kĩ thuật, các phát minh sáng chế đã và đang được áp dụng rộng rãi và phổ
biến, nhiều thành tựư khoa học kĩ thuật đã đem lại cho nêng sản xuất những tiến bộ
đột phá. Kỹ thuật điện tử và bán dẫn công suất lớn phát triển mạnh mẽ. Các thiết bị
điện tử công suất có ưu điểm: có khả năng điều khiển rộng, có chỉ tiêu kinh tế cao,
kích thước và trọng lượng thấp, độ tin cậy và độ chính xác cao ứng dụng của
chúng vào vào việc biến đổi năng lượng và điều khiển điện áp và dòng điện xoay
chiều thành một chiều và ngược lại .
Được sự chỉ bảo của thầy giáo giảng dạy, em đã hoàn thành để tài: "Thiết kế
bộ điều khiển kích từ cho máy phát điện xoay chiều có tham số sau: U= 400V,
I= 300A, U
kt
= 48V, I
kt
= 3,5A.
Trong quá trình làm bài sẽ còn nhiều thiếu sót nên em rất mong nhận được
sự đánh giá, góp ý của thầy giáo để có thể hoàn thành tốt hơn bài tập này.
Chương 1. Tổng quan về công nghệ
1.1. Phạm vi ứng dụng của công nghệ
Để cung cấp nguồn cho tải một chiều cần thiết kế các bộ chỉnh lưu. Các bộ
chỉnh lưu biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều. Các loại bộ biến
đổi này có thể là chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu có điều khiển. Để giảm
công suất vô công, người ta thường mắc song song ngược các tải một chiều một
điốt( loại sơ đồ này gọi là sơ đồ có điốt ngược). Trong các sơ đồ chỉnh lưu có điốt
ngược, khi có và không có điều khiển, năng lượng được chuyền từ phía lưới xoay
chiều sang một chiều, nghĩa là các loại chỉnh lưu đó chỉ có thể làm việc ở chế độ
chỉnh lưu nhận năng lượng từ lưới. Các bộ chỉnh lưu có điều khiển, không điốt
ngược có thể trao đổi năng lượng theo cả hai chiều. Khi năng lượng truyền từ lưới
xoay chiều sang tải một chiều, bộ nguồn làm việc ở chế độ chỉnh lưu nhận năng
lượng từ lưới, khi năng lượng truyền theo chiều ngược lại( nghĩa là từ phía tải một


=






−−=
=
−
−=
=
m
nUu
t
3
2π
θsinUu
sinθUu
mn
m
m2
m1
Uu
π
θ
ωθ
π
θ

π
π
θθ
π
α
ππ
α
ππ
sin
coscossin
0
0
2
2
sin
2
=
==
∫
++
++
=
U
di0
: Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu không điều khiển
2.1.3. Chỉnh lưu hình tia 3 pha có diode V
0
Hình 3: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha có diode V
0
2.1.4. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng

- Không thể làm việc ở chế độ nghịch lưu
- Hiệu suất bộ biến đổi cao hơn
Sau khi phân tích đánh giá về chỉnh lưu, từ các ưu nhược điểm của các sơ đồ
chỉnh lưu, thì sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng là hợp lý hơn cả. Bởi
lẽ ở công suất này để tránh mất đối xứng biến áp, nên sơ đồ thiết kế chọn là sơ đồ
cầu 3 pha có điều khiển đối xứng như hình vẽ sau:
Hình 2.1: Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng
2.3. Tính chọn van công suất
Khi tính toán van động lực ta cần dựa vào các yếu tố cơ ban sau: dòng tải, sơ
đồ đã chọn, điều kiện tản nhiệt, điện áp làm việc.
- Điện áp ngược của van
U
lv
= k
nv
.U
2
Với U
2
= U
d
/k
u
thay số vào ta được:
u
d
lvlv
K
U
kU .=

Dòng điện hiệu dụng của van:
I
lv
= I
hd
= k
hd
.I
d
= 0,58 x 3,5 = 2,03 (A)
Với các thông số làm việc của van ở trên, chọn điều kiện làm viêcj của van
là có cánh tản nhiệt với đầy đủ diện tích tỏa nhiệt, không quạt đối lưu không khí.
Vậy thông số của van động lực là:
U
nv
= 80,41 (V)
I
dlv
= k
i
x I
lv
= 4 x 2,03 = 8,12 (A)
Tra bảng thộng số các van, ta chọn được van 2N4441:
Dòng điện định mức của van I
dmv
= 12 A
Điện áp ngược cực đại của van U
nv
= 120 V

d
+ 2.∆U
v
+ ∆U
dn
+ ∆U
ba
Trong đó:
α
min
= 10
0
là góc dự trữ khi có sự giảm điện lưới
∆U
v
= 2,0 V là sự sụt áp trên Thyristor
∆U
dn
≈ 0 là sự sụt áp trên đường dây nối
∆U
ba
= ∆U
r
+ ∆U
x
là sự sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp
Chọn sơ bộ:
∆U
ba
= 6%.U

34,2
58,64
2
===
4. Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp
AII
d
86,25,3.
3
2
.
3
2
2
===
5. Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp
AI
U
U
IKI
ba
21,086,2.
380
6,27

2
1
2
21
====

46,3.4
.4
===
ππ
Chuẩn hóa đường kính theo tiêu chuẩn d = 3cm
8. Chọn loại thép
330∃
các lá thép có độ dày 0,5mm
Chọn mật độ từ cảm của trụ B
t
= 1T
9. Chọn tỷ số
3,2==
d
h
m
, suy ra h = 2,3.d = 2,3.3 = 6,9 cm
Ta chọn chiều cao trụ là 7 cm
Tính toán dây quấn
10. Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp
14,4947
0,1.10.46,3.50.44,4
380
44,4
W
4
1
1
===
−

2
13. Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp
2
1
1
1
076,0
75,2
21,0
mm
J
I
S ===
Chọn dây dẫn tiết diện hình tròn, cách điện cấp B
Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S
1
= 0,077mm
2
Kích thước dây dẫn có kể cách điện
S
1cđ
=
π
.0,105
2
= 0,07 cm
2
14. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp

2

=
π
.0,555
2
= 0,9676 cm
2
16. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp
2
2
2
2
/72,2
05,1
86,2
mmA
S
I
J ===
Kết cấu dây dẫn sơ cấp
Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo dọc trục
17. Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp
3695,0.
105,0
5,1.27
.
.2
1
11
=
−

lớp
19. Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp
cm
k
bW
h
c
96,7
95,0
21,0.36
.
111
1
===
20. Chọn ống dây quấn làm bằng vật liệu cách điện có bề dầy:
S
01
= 0,1 cm
21. Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp chọn cd
01
= 1,0 cm
22. Đường kính trong cuă ống cách điện
D
t
= d
Fe
+ 2.cd
01
- 2.S
01

28
2
515
2
11
=
+
=
+
=
28. Chiều dài dây quấn sơ cấp
l
1
= W
1
.
π
.D
tb
=
π
.4947.28 = 435,16 m
29. Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp: cd
12
= 1,0 cm
Kết cấu dây dẫn thứ cấp
Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo dọc trục
30. Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp
h
1

2
12
===
W
n
lớp
33. Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp
cm
k
D
h
c
5,8
95,0
55,0.15
.W
212
2
===
34. Đường kính trong của cuộn sơ cấp
D
t2
= D
n1
+ 2.S
01
= 51 + 2.0,1 = 51,2 cm
35. Chọn bề dầy giữa hai lớp dây của cuộn sơ cấp: cd
11
= 0,1 mm

l
2
= W
2
.π.D
tb2
= π.259.63,41 = 515,7 m
40. Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp: cd
12
= 2,0 cm
Tính kích thước mạch từ
41. Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ
Q
tb
= 2.(1,6.10,5+1,1.0,95+0,7.8,5+0,6.7,5+0,4.6,5+0,7.4) = 86,2 cm
2
42. Tiết diện hiệu quả của trụ
Q
T
=k
hq
.Q
bt
= 0,95.86,2 = 81,89 cm
2
43. Tổng chiều dày của bậc thang
d
t
= 2.(1,6+1,1+0,7+0,6+0,4+0,7) = 10,2 cm
44. Tổng chiều dài các bậc thang

5,0
4
5
==n
lá
Bậc 6
282.
5,0
7
6
==n
lá
Để đơn giản trong việc chế tạo gông từ, ta chọn gông có tiết diện hình chữ
nhật có kích thước sau:
Chiều dày gông bằng chiều dài của trụ: b = d
t
= 7 cm
Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ: a = 7 cm
Tiết diện gông: Q
bg
= a x b = 49 cm
2
45. Tiết diện hiệu quả của gông
Q
g
= k
hq
.Q
bg
= 0,95.49 = 46,55 cm

Q
BB
g
T
Tg
07,0
55,46
89,81
.04,0. ===
49. Chiều rộng của cửa sổ
c = 2.(1 + 1,33 + 1,35) + 2 = 11,37 cm
50. Tính khoảng cách giữa hai tâm trụ
c' = 11,37 + 7 = 18,37 cm
51. Chiều rộng của mạch từ
C = 2.11,37 + 3.7 = 43,74 cm
52. Chiều cao mạch từ
H = 7 + 2.3 = 13 cm
Tính khối lượng sắt và đồng
53. Thể tích của trụ
V
T
= 3.81,89.7 = 1719,69 cm
3
54. Thể tích của gông
V
g
= 2.46,55.43,47 = 4072,19 cm
3
55. Khối lượng của trụ
M

2
L
2
) = 3.(0,21.435,16.10
-4
+ 1,04.515,7.10
-4
) = 0,1883 dm
3
59. Khối lượng của đồng
M
Cu
= V
Cu
. m
Cu
= 0,1883.8,9 = 1,676 Kg
Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực
2.4. Chọn thiết bị bảo vệ
2.4.1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn
Khi van bán dẫn làm việc, có dòng điện chạy qua, trên van có sụt van ∆U,
do đó có tổn hao công suất ∆P. Tổn hao này sinh ra nhiệt, đốt nóng van bán dẫn.
Mặt khác, van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép (T
cp
), nếu
quá nhiệt độ cho phép các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an
toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, phải chọn và thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lí.
Tính toán cách tản nhiệt:
Thông số cần có:
+ Tổn thất công suất trên Thyristor: ∆P = ∆U.I

0
C
K
m
hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Chọn K
m
= 8 W/m
2 0
C
Vậy S
TN
= 2,9/8.40 = 0,009 m
2
Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh
a x b = 3 x 4 = 12 cm
2
Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh S
TN
= 12.2.12 = 288 cm
2
2.4.2. Bảo vệ quá dòng điện cho van
Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch khi quá tải và
ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp
ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu.
Chọn 1 aptomat có:
Dòng điện làm việc chạy qua aptomat:
A
S
I
ba

= (0,25
÷
4) µF
Chọn theo tài liệu: R
1
= 5,1 Ω; C
1
= 0,25 µF
+Để bảo vệ van do cắt đột biến áp áp non tải, người ta mắc một mạch R-C ở
đầu ra của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bằng diode công suất bé. Thông thường giá trị
tự chọn trong khoảng 10
÷
200 µF
Theo tài liệu: R
3
= 470Ω; C
3
= 10µF
Chọn giá trị điện trở R
4
= 1,4(KΩ)
Chương 3. Thiết kế mạch điều khiển
3.1. Giới thiệu vác khâu điều khiển cần thiết
Để mạch động lực hoạt động thì cần có mạch điều khiển. Trong mạch điều
khiển gồm các khâu sau:
- Khâu đồng pha: có nhiệm vụ tạo ra điện áp U
rc
thượng gặp là điện áp răng
cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của Thyristor.
- Khâu so sánh: nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều khiển, có

= 2,5 V
- Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U
1
= m.U
2
= 3.2,5 = 7 V
- Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I
2
= I
dk
= 0,06 A
- Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I
1
= I
2
/m = 0,06/3 = 0,02 A
- Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: µ
tb
= ∆B/µ
0
. ∆H = 8.10
3
Thể tích của lõi thép cần có:
V = Q.L = (µ
tb.
µ
0
. t
x
. s

; Q
cs
= 4,9 cm
2
; d = 25 mm;
D = 40 mm. Chiều dài trung bình mạch từ l = 10,2 cm.
Số vòng quấn dây sơ cấp biến áp xung:
Theo định luật cảm ứng điện từ:
U
1
= w
1
.Q. dB/dt = w
1
.Q. ∆B/t
x
w
1
= U
1
.t
x
/∆B.Q = 9.100.10
-3
/0,3.37,5 = 80 vòng
Số vòng dây thứ cấp: W
2
= w
1
/m = 80/3 = 27 vòng

2
Tiết diện dây quấn thứ cấp: S
2
= I
2
/J
2
= 0,2/4 = 0,05mm
2
Chọn mật độ dòng điện J
2
=4 A/mm
2
Đường kính dây quấn thứ cấp:
mm
S
d 252,0
4
2
2
==
π
Chọn dây có đường kính d
2
=0,27 mm, S
2
= 0,0575 mm
2
Kiểm tra hệ số lấp đầy:
005,0

Công suất tiêu tán của Colecto: P
c
= 1,7 W
Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T
1
= 175
0
C
Hệ số khuyếch đại: β = 50
Dòng làm việc của Colecto: I
c3
= 33,3 A
Dòng làm việc của Bazơ: I
B3
= I
c3
/ β = 33,3/50 = 0,66 mA
Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E = +12 V ta mắc thêm điện trở R
10
nối
tiếp với cực Emito của Tr
3
R
10
= (E-U
1
)/I
1
= 92 Ω
Tất cả các diode trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có tham số:

Công suất tiêu thụ P = 2,5 mW/1 cổng
3.2.4. Chọn tụ C
3
và R
9
Điện trở R
9
dùng để hạn chế dòng đưa vào Bazơ của Tranzitor Tr
3
, chọn R
9
thỏa mãn diều kiện:
Ω==≥
−
k
I
U
R
b
6
10.2
12
3
3
9
Trong đó:
U = 12 V; I
b3
= 2mA< 10mA
Chọn C

C
Công suất tiêu thụ: P = 680 mW = 0,68 W
Tổng trở đầu vào: R
in
= 10
6
MΩ
Dòng điện đầu ra: I
ra
= 30 pA
Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du/dt = 13 V/µs
Mạch tạo chùm xung có tần số: f
x
= 1/2t
x
= 1/2.100 = 5 kHz hay tru kỳ của
xung trùm.
T = 1/f = 200 µs; ta c ó: T = 2.R
8
C
2
.ln( 1+2.R
8
/R
7
)
Chọn R
6
= R
7

< 1 mA
Chọn R
4
= R
5
> U
v
/I
v
= 12/1.10
-3
= 12 kΩ
Do đó ta chọn R
4
= R
5
= 15 kΩ khi có dòng vào A
3
:
I
vmax
= 12/(15.10
9
) = 0,8 mA
3.2.7. Tính chọn khâu đồng pha
Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C
1
, mặt khác để đảm bảo điện
áp tụ có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ
nạp được T

= 25 V
Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: U
EBO
= 7 V
Dòng điện lớn nhất của Colecto có thể chịu đựng I
cmax
= 100 mA
Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T
cp
= 150
0
C
Hệ số khuyếch đại: β = 250
Dòng cực đại của Bazơ: I
B3
=I
c
/β = 100/250 = 0,4 mA
Điện trở R
2
để hạn chế dòng điện đi vào Bazơ Tranzito Tr
1
được chọn như
sau:
Chọn R
2
thỏa mãn điều kiện: R
2
> U
Nmax

= 10 kΩ
3.2.8. Tạo nguồn nuôi
Thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn
nuôi, chọn kiểu biến áp 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 5 cuộn dây, một cuộn sơ cấp và
bốn cuộn thứ cấp.
Cuộn thứ cấp thứ nhất
Cấu tạo ra nguồn điện áp ± 12 V để cấp cho nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng
điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Nguồn này được cấp bởi ba cuộn dây thứ cấp.
Hai chỉnh lưu tia 3 pha để tạo điện áp nguồn nuôi đối xứng cho IC. Điện áp
đầu ra của ổn áp chọn 12V. Điện áp vào của IC ổn áp chọn 20V. Điện áp thứ cấp
các cuộn chọn là:
VU 18,14
2
20
21
==
Chọn U
21
= 14V
Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và
7912, các thông số chung của vi mạch này như sau:
Điên áp đầu vào: U
V
= 7
÷
35 V
Điện áp đầu ra: IC 7812 có U
ra
= 12V
IC 7912 có U

1) Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi IC: U
21
= 14V
2) Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL084 sử dụng làm khuyếch đại thuật toán
ta chọn hai IC TL084 để tạo 6 kênh điều khiển và 2 cổng AND.
P
IC
= 8.0,68 = 5,12 W
3) Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Thyristor
P
x
= 6.U
NX
.I
dk
= 6.3.0,2 = 3,6 W
4) Điện áp ba pha thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi biến áp xung
VU 91,4
32
12
22
==
; chọn 5V
5) Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây đồng pha U
3,4
= 5V
6) Dòng điện chạy qua cuộn dây đồng pha chọn 10mA
7) Công suất các cuộn dây đồng pha
P
df

50.3
471,9
.6
.
cm
fm
S
kQ
Qt
===
Ta chọn chuẩn hóa tiết diện trụ theo bảng
Q
t
= 1,63 cm
2
Kích thước mạch từ là thép dày σ = 0,5 mm
Số lượng lá thép: 68 lá
a = 12 mm
b = 16 mm
h = 30 mm
hệ số ép chặt k
c
= 0,85
12) Chọn mật độ từ cảm B= 1T ở trụ ta có số vòng dây sơ cấp:
6080
44,4
1
1
==
T

U
WW
vòng
17) Số vòng dây quấn thứ cấp W
22
135
220
91,4
.6080.
1
22
122
===
U
U
WW
vòng
18) Số vòng dây quấn thứ cấp W
23
138
220
5
.6080.
1
23
123
===
U
U
WW

u
.U
Nmax
= 2.34,3 = 68,6 V
Chọn diode loại KII208A có các thông số:
- Dòng điện định mức: I
dm
= 1,5 A
- Điện áp ngược cực đại của diode: U
N
= 100 V
3.3. Ghép nối thành sơ đồ hoàn chỉnh
KẾT LUẬN
Qua thời gian thực hiện thiết kế môn học với đề tài " Thiết kế bộ điều khiển
kích từ cho máy phát điện xoay chiều có tham số sau: U=400V, I=300A, U
kt
=48V,
I
kt
=3,5A" đã giúp em hiểu rõ hơn những vấn đề lý thuyết và thực tế liên quan đến
đề tài nhằm củng cố đã học trên lớp. Được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo
phụ trách bộ môn, các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tự động công nghiệp với
sự cố gắng của bản thân em đã cơ bản hoàn thành đề tài và đã giải quyết được
những vấn đề sau:
- Tổng quan về công nghệ
- Tính chọn mạch công suất
- Tính chọn các thiết bị bảo vệ
- Thiết kế mạch điều khiển
Mặc dù làm việc nghiêm túc và cố gắng trong suốt thời gian thực hiện đề tài
song do thời gia hạn chế nên đề tài này khong tránh khỏi những thiếu sót nhất định,