THIẾT KẾ MÔN HỌC
MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
ĐỀ BÀI: Đề số 38
Thiết kế bộ điều khiển chỉnh lưu có đảo chiều cung cấp cho động cơ điện
một chiều
Yêu cầu công nghệ Thông số thiết kế
Thiết kế bộ chỉnh lưu có điều khiển Điện áp nguồn: U
dm
= 3.380V
10%±
AC,
50 Hz
Động cơ: 10kW, 440V DC, 3000v/ph
Giáo viên hướng dẫn : ĐOÀN VĂN TUÂN
Sinh viên : LÊ MẠNH LINH
Mã sinh viên : 39186
Lớp : ĐTĐ51 - ĐH2
Hải Phòng, năm 2012
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1. Tổng quan về động cơ điện một chiều
1.1.1. Phân loại
Động cơ điện một chiều chia làm nhiều loại theo sự bố trí của cuộn kích từ :
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
- Động cơ điện một chiều kích từ song song
- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
1.1.2. Cấu tạo
Động cơ điện một chiều có thể chia làm hai phần chính: Phần tĩnh và phần
động

kỹ thuật điện phủ cách điện ở hai mặt rồi ép chặt để giảm tổn hao dòng xoáy
gây ra. Trên lõi thép có dập hình dạng rảnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn
vào.
Trong nhữ động cơ điện trung bình trở lên, người ta thường dập những lỗ
thông gió để khi ghép lại có thể tạo thành những lỗ thông gió dọc trục.
Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường được chia làm
những đoạn nhỏ. Giữa những đoạn ấy thường để một khe gọi là khe hở
thông gió. Khi máy làm việc, gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn
và lõi sắt.
Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ghép trực tiếp
vào trục, trong động cơ lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá roto. Dùng giá rôt
để tiết kiệm thép kỹ thuật và giảm trọng lượng cho roto.
+ Dây quấn phần ứng
Dây quấn phần ứng là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy
qua. Dây quấn phần ứng thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện.
Trong máy điện nhỏ công suất dưới vài kW thì thường dùng dây có tiết diện
tròn. Trong máy điện công suất lớn thì dùng dây quấn có tiết diện hình chữ
nhật. Dây quấn được cách điện với rãnh của lõi thép.
Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để
đè chặt hoặc đai chặt dây quấn.
+ Cổ góp
Dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm
nhiều phiến đồng được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2
mm và hợp thành một trục tròn. Hai đầu trục hình tròn, dùng 2 tấm ốp hình
chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng được bọc cách điện bằng
mica.
+ Các bộ phận khác
• Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một
chiều thường được chế tạo theo kiểu bảo vệ. ở hai đầu nắp máy có lỗ thông
gió. Cánh quạt lắp trên trục máy. Khi động cơ quay, gió được hút từ ngiaif

phần ứng hoặc mạch kích từ của động cơ. Cho đến nay thường sử dụng
những bộ biếnđổi dựa trên các nguyên tắc truyền động sau đây :
+ Hệ truyền động máy phát – động cơ (F – Đ)
+ Hệ truyền động chỉnh lưu tiristor – động cơ (T – Đ) ( được sử dụng
với đồ án này )
► Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ (T-Đ)
Thường được sử dụng bộ chỉnh lưu có thyristor. Tốc độ động cơ thay đổi
bằng cách thay đổi điện áp chỉnh lưu cấp cho phần ứng động cơ. Để thay đổi
điện áp chỉnh lưu, ta chỉ cần sử dụng mạch điều khiển, thay đổi thời điểm
thông thyristor.
+ Ưu điểm của hệ này là tác động nhanh, không gây ồn và dễ tự động
hoá. Do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao. Điều đó
thuận lợi cho việc thiết lập hệ điều chỉnh nhiều vòng, để nâng cao chất lượng
đặc tính tĩnh và các đặc tính của hệ thống.
+ Nhược điểm của hệ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng
chỉnh lưu của điện áp có biên độ đập mạch gây tổn hao phụ trong máy điện
hệ số công suất cosɸ của hệ thống nói chung là còn thấp. tính dẫn điện một
chiều của van buộc ta phải sử dụng hai bộ biến đổi để cung cấp điện cho
động cơ có đảo chiều quay.
1.3. Các phương pháp chỉnh lưu có đảo chiều
• Các bộ chỉnh lưu một chiều dùng cho động cơ một chiều cần quay theo
cả hai chiều với chế độ làm việc ở cả 4 góc điều chỉnh.
• Tuỳ theo yêu cầu về chất lượng điều chỉnh mà có thể dùng các sơ đồ
sau:
1.3.1. Dùng phương pháp đảo chiều bằng đảo dấu điện áp đặt vào phần
ứng động cơ nhờ 2 mạch chỉnh lưu.
1.3.2. Dùng phương pháp đảo chiều kích từ.
1.3.3. Đảo chiều phần ứng động cơ bằng công tắc tơ T và N
Kt
Kt

.Xung điều khiển ít phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, dao động điện
áp nguồn.
. Cần khử được nhiễu cảm ứng để tránh mở nhầm.
+ Yêu cầu về lắp ráp vận hành.
. Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh.
. Dễ lắp lẫn và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập.
3.2 Nguyên lý chung của mạch điều khiển.
3.2.1 Nhiệm vụ của mạch điều khiển
là tạo ra các xung vào ở những thời điểm mong muốn để mở các van động
lực của bộ chỉnh lưu.
- Tiristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dương đặt trên
Anốt và có xung áp dương đătj vào cực điều khiển không còn tác dụng gì
nữa.
- Chức năng của mạch điều khiển :
+ Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ
dương của điện áp đặt trên anốt – katốt của tiristor.
+ Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở tiristor độ rộng xung t
x
<
10µs. Biểu thức độ rộng xung:
dt
di
I
t
dt
x
=
Trong đó: I
đt
là dòng duy trì của tiristor.

khiển góc α.
3.2.3 Nguyên tắc điều khiển.
* Mạch điều khiển tiristor có thể phân loại theo nhiều cách. Song các mạch
điều khiển đều dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha và theo đó ta có hai
nguyên lý khống chế “ngang” và khống chế “đứng”.
- Khống chế “ngang “ là phương pháp tạo góc α thay đổi bằng cách dịch
chuyển điện áp ra hình sin theo phương ngang so với điện áp tựa.
+ Nhược điểm của phương pháp khống chế này là góc α phụ thuộc
vào dạng điện áp và tần số lưới, do đó độ chính xác của góc điều khiển thấp.
- Khống chế “đứng” là phương pháp tạo góc α thay đổi bằng cách dịch
chuyển điện áp chủ đạo theo phương thẳng đứng so với điện áp tựa răng cưa.
+ Phương pháp khống chế “đứng” có độ chính xác cao và khoảng điều
khiển rộng ( từ 0 -> 180
0
).
+ Có hai phương pháp điều khiển “đứng “:
. across
. tuyến tính
a) Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
Tổng đại số của U
r
+ U
đk
đưa đến đầu vào của một khâu so sánh. Bằng cách
làm biến đổi U
đk
ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra tức
là điều chỉnh được góc α.
Khi U
đk

r
+ U
đk
được đưa đến đầu vào của khâu so
sánh .
Khi U
r
+ U
đk
= 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh :
U
đk
+ B.cosα = 0
Do đó α = arccos(-U
đk
/B)
Thường lấy B = U
đk max
Khi U
đk
= 0 thì α =π/2
Khi U
đk
= - U
đk max
thì α= 0
Như vậy khi cho U
đk
biến thiên từ - U
đk max

đ
thì U
ra
trên OA
1
là điện áp dương điốt D
11
mở lúc này tụ C
8
được phóng điện từ C
8
đến R
5
-> D
11
qua OA
1
về âm nguồn .
Do sự đóng mở của D
11
làm trên tụ C
8
phóng nạp tạo ra trên (III) một
điện áp hình răng cưa .Độ dốc của răng cưa có thể thay đổi qua triết áp
VR
2
. Do đó điốt zơle (D
z
) nên diện áp trên tụ max khi nạp luôn bằng điện
áp ngưỡng trên điốt zơle. Điện áp răng cưa được đưa vào cửa đảo của

giữ lại phần âm được trộn lẫn với xung ra từ khâu so sánh A
3
tạo thành
từng chùm xung dương. Nhưng tín hiệu xung vẫn chưa đủ lớn để kích mở
Tiristo do đó được đưa qua bộ khuếch đại xung. Các transisto mắc theo
kiểu Dalingtơn. Xung dương được đặt vào bazơ của T
1
làm T
1
mở và T
2
mở theo khi đó có xung đi vào biến áp xung.Trên cuộn thứ cấp của biến
áp xung có xung để kích mở tiristo. Khi xung tắt T
1
vàT
2
bị khoá ,điện áp
trên biến áp xung giảm đột ngột ,cuộn dây của biến áp xung xuất hiện sức
điện động cảm ứng ngược dấu lúc đó điốt D
15
và D
19
thông dập tắt sức
điện động để bảo vệ các transistor.
3.3.2 Tính toán các khâu của mạch điều khiển
Theo như trên ta đã tính toán cho mạch lực:
Ud=440(v) Id= 68,18 (A)
Ơ đây mạch điều khiển sẽ điều khiển điện áp cũng như dòng điện ở
mạch lực cho phù hợp với yêu cầu.
Để tính toán cụ thể cho mạch điều khiển ta điều khiển điện áp mạch

imin
<Uđ< U
Imax
.Khi điện áp đặt vào cửa
cộng của OA
1
lớn hơn điện áp Uđ trên cửa đảo của OA
1
thì tại cửa ra của
OA một điện áp dương.Còn khi điện áp trên cửa cộng của OA nhỏ hơn
điện áp trên cửa đảo thì điện áp ra của OA
1
sẽ là một điện áp âm đặt lên
điốt D
35
.Như vậy OA
1
có nhiệm vụ so sánh điện áp nửa hình sin của U
1
với Uđ trên cửa đảo và tạo ra trên đầu ra một điện áp dương ,âm liên tiếp
dạng âm
D
10
D
10
A
1
R
1
R

= 1,7(V)
I.R
3
= 1,7V -> Chọn R
3
= 1,5 (kΩ)
Ta có :
1,7(V).R
RVR
E
3
31
=
+
-> VR
1
= 10,6(kΩ)
Thường chọn điện trở R
1
và R
2
sao cho dòng vào khuyếch thuật toán
I
V
<1mA.
Chọn R
1
= R
2
= U/I =9/10

điện áp tựa có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số
thời gian tụ nạp được :
D10
D10
+E
III
A
2
D
11
R
8
R
8
R
1
+E
-E
T
1
= R.C = 0,005 (s)
Chọn tụ C
1
= 0,47µF thì R
3
= T/C = 0,005/0,47.10
-6
= 10.10
3
(Ω) =

1
0
1
0
+
+
=
+
+
=+=
∫∫
U
0
là điện áp trên tụ khi bắt đầu nạp tụ C
8
.
U
0
= U
D 7
ta chọn điốt rơle có điện áp ngưỡng :
U
ng D 7
= 9,1 (V)
Chọn nguồn nạp : ± 12V.
Để cuối quá trình nạp U
c
= 0 ta cần chọn :
VR
4

RVR
E
I
3
42
n
−
==
+
=

Giá trị điện áp trên tụ sau khi phóng :
1,7(kΩ,
0,47.10
0,8.10
R
0,8(ms).RC
I
)U.(UC
T
.I.t
C
1
UU
U.T.I
C
1
UI.dt.
C
1

5
= 1,7kΩ.
3. Khâu so sánh
Điện áp răng cưa đưa vào cửa đảo của A
7
Điện áp điều khiển đưa vào cửa cộng của A
7
Nếu U
rc
>U
đk
đầu ra của A
7
là xung âm
Nếu U
rc
>U
dk
đầu ra của A
7
là xung dương
Khi đó đầu ra của A
7
có chuỗi xung vuông liên tiếp .Phần tử chính của
khâu so sánh là IC thuật toán A
7
.
Chọn R
6
= R

5
-E
Nguyên lý hoạt động của khâu phát xung chùm
Đóng nguồn cho A
8
sau một pha quá độ ở đầu ra của thuật toán A
8
sẽ
cho một chuỗi xung hình chữ nhật xen kẽ nhau ta chọn giá trị của tụ C và
các điện trở phù hợp cho các xung ra xuất hiện với tần số cao thì các
xung ở đầu ra thể hiện như dạng chùm xung
Giả sử tại thời điểm ta xét tụ C được nạp đầy tức là U
2
>U
c
điện áp lúc
này ở đầu ra của A
8
sẽ là điện áp âm sau một thời gian khi điện áp ra qua
R
8
về tụ hết phóng điện(được nạp theo chiều ngược lai )U
2
<0.Khi đó
Ud>0 và điện áp đầu ra thay đổi thành điên áp dương.Như vậy do đặc
tính phóng nạp của tụ C
9
tạo trên A
8
một điện áp ra dạng xung vuông liên

)Ω4545(
02,2.0,02.1
2.10
R
6
4
8
==
−
−
Chọn R
8
= 4,5kΩ.
Chọn R
7
= R
9
= 5kΩ.
Chọn đèn T
5
loại P – N – P ký hiệu A564 có thông số :
Điện áp giữa colectơ và bagơ khi hở mạch emitơ U
Cbo
= 25V.
Điện áp giữa emito và bazơ khi hở mạch colectơ U
Beo
= 7V.
Dòng điện qua Colectơ I=100mA.
Nhiệt độ T
0

thông số cơ bản trong mạch điều khiển :
+ Điện áp điều khiển Tiristor U
đk
= 3,0 (V)
+ Dòng điện điều khiển Tiristor I
đk
= 0,1 (A)
+ Thời gian mở Tiristor t
m
= 80 µs
+ Độ vòng xung điều khiển t
x
= 167 µs
+ Tần số xung điều khiển ƒ
x
= 3 (khz)
+ Độ mất đối xứng cho phép ∆α = 4
0
+ Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển U =
V12±
+ Mức sụt biên độ xung S
x
= 0,15
Tính biến áp xung
D
21
R
16
R
BAX2

U
1
= mU
2
= 3.3 = 9 (V)
+ Dòng điện thứ cấp biến áp xung
I
1
=
m
I
2
=
3
1,0
= 0,33 (A)
+ Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt
µ
TB
=
3
6
0
10.8
10.25,1
3,0
==
∆
∆
−

) = 0,834 (cm
3
)
Chọn mạch từ có thể tích V = 1,4 (cm
3
) . Với thể tích đó ta có các kích thước
mạch từ như sau :
a = 4,5 mm = 0,45 cm
b = 6mm = 0,6 cm
Q = 0,27 cm
2
= 27 mm
2
d = 12mm
D = 21mm
Chiều dài trung bình mạch từ l = 5,2 (cm)
- Số vòng dây sơ cấp máy biến áp xung :
- Theo định luật cảm ứng điện từ
U
1
= W
1
Q
tx
B
QW
dt
dB ∆
=
1

1
=
0056,0
6
10.3,33
3
1
1
==
−
J
I
(mm
2
)
Chọn mật độ dòng điện J
2
= 6 (A/mm
2
)
+ Đường kính dây cuốn thứ cấp
d
2
=
084,0
0056,0.4
4
1
=
Π

0025,0.4
4
2
=
Π
=
Π
S
(mm)
Chọn dây có đường kính d
2
= 0,18 (mm)
Kiểm tra lại hệ số lấp đầy
K
lđ
=
03,0
12
62.18,0186.1,0

)
4
(

2
22
2
2
21
2

Nhiệt độ lớn nhất của mặt tiếp giáp T
1
= 175
0
C .
Hệ số KĐ β = 50
Dòng điện làm việc của colecto I
c3
= I
1
= 33,3 (mA)
Dòng điện làm việc của bazơ I
b
=
66,0
30
3,33
==
β
c
I
(A)
Ta thấy rằng trong hai loại Tiristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé
U
đk
= 3,0 (V) I
đk
= 0,1 (A)
Nên dòng Colecto – bazơ của Tranzito I , trong trường hợp này ta có thể
không cần Tranzito I

đm
= 10 (mA)
Điện áp ngược lớn nhất U
n
= 25 (V)
Điện áp để cho Diod mở thông U
m
= 1(V)
6 .Khối nguồn
Ta cần chọn nguồn nuôi ± 12V để cấp cho BAX nuôi IC, các bộ điều
chỉnh dòng điện tốc độ , điện áp đặt tốc độ . Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu
ba pha dùng điốt, điện áp từ cấp MBA nguồn nuôi :
)(1,5
34,2
12
2
VU ==
Ta chọn U
2
= 9V.
C
5
C
7
C
4
C
6
7912
490

dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao.
Chọn C
4
= C
5
=C
6
= C
7
=470µF.
7.Tính toán máy BA nguồn nuôi và đồng pha :
- Ta thiết kế MBA dùng cho cả 3 việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn
nuôi. Chọn kiểu MBA 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 3 cuộn dây : 1 cuộn sơ cấp
và 2 cuộn thứ cấp.
- Điện áp lấy ra ở thứ cấp MBA làm điện áp đồng pha:
U
2
= U
2đp
= U
N
= 9(V).
- Dòng điện thứ cấp MBA đồng pha :
I
2đp
= 1(mA)
- Công suất tiêu thụ ở 6IC TL 084 sử dụng làm khuyếch thuật toán . Ta
chọn 2IC TL084 để tạo 6 cổng AND
P
8IC

= S/ (6.U
2
) = 0,137(A)
- Dòng điện sơ cấp MBA:
I
1
=S/ (3.U
1
) = 0,0112(A)
- Tiết diện trụ của MBA được tính theo công thức kinh nghiệm:
)(33,1
50.3
38,7
.6
.
.
2
cm
fm
S
kQ
QT
===
Trong đó : k
Q
= 6 : hệ số phụ thuộc phương thức làm mát.
m = 3 : số trụ của BA
f =50 : tần số điện áp lưới.
- Chuẩn hoá tiết diện trụ theo bảng :
Q

2
.
- Ta có tiết diện dây quấn sơ cấp :
)0,0043(mm
3.220.2,75
7,38
3.U.J
S
S
2
1
===
- Đường kính dây quấn sơ cấp :
)0,074(mm
π
4.S
d
1
1
==
- Chọn d = 0,1mm để dảm bảo độ bền cơ. Đường kính có kể cách điện
là 0,12mm.
8. Chọn cổng AND
-Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng sáu cổng AND nên ta chọn hai IC4081
họ CMOS . Mỗi IC4081 có bốn thông số .
Nguồn nuôi 1C V
cc
= 3÷ 9 (V) . Ta chọn V
cc
= 12 (V) .

du
s=

9. Khâu phản hồi:
-Khi thiết kế hệ điểu chỉnh tự động truyền động điện cần phải đảm bảo hệ
thực hiện được tất cả các yêu cầu đặt ra đó là yêu cầu công nghệ các chỉ tiêu
chất lượng và các yêu cầu về kinh tế.
-Độ ổn định và độ chính xác điểu chỉnh là hai chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng
bậc nhất của hệ thống tự động. Độ chính xác được đánh giá trên cơ sở phân
tích các sai lệch điểu chỉnh ,các sai lệch này phụ thuộc rất nhiều yếu tố . Sự
biến thiên của các tín hiệu đặt gây ra các sai lệch không thể tránh được trong
quá trình quá độ và cũng có thể gây sai lệch trong quá trình xác lập.trên cơ
sở phân tích các sai lệch điểu chỉnh ta có thể chọn được các bộ điểu chỉnh
,các mạch bù thích hợp dể nâng cao độ chính xác của hệ thống .
-Để đạt được những chỉ tiêu về công nghệ trong điểu chỉnh tự động điểu
chỉnh hệ thống truyền động động cơ một chiều ta sử dụng hai mạch vòng
điểu chỉnh tổng hợp mạch vòng dòng điện ,tổng hợp mạch vòng tốc độ.
*Tổng hợp mạch vòng dòng điện :
Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ thống chấp hành
thì mạch vòng dòng điện là mạch vòng cơ bản .Chức năng cơ bản của mạch
vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động là trực tiếp hoặc gián tiéep
xác định mô men kéo của động cơ, bảo vệ ,điểu chỉnh gia tốc
+Khâu lọc tín hiệu F: dùng để lọc tín hiệu một chiều hàm truyền là khâu
quán tính :
1
.1
1
Tp
F
+