Chương 1. Tổng quan về công nghệ thiết kế bộ điều khiển kích
từ cho máy phát điện
1.1 Tổng quan về công nghệ thiết kế bộ điều khiển kích từ cho máy
phát điện xoay chiều
Như ta đã biết để điều chỉnh điện áp phát ra của máy phát người ta
thường điều chỉnh dòng kích từ nhờ một bộ điều chỉnh bằng tay hoặc tự
động hệ thống kích từ. Trong chế độ làm việc bình thường điều chỉnh dòng
kích từ sẽ điều chỉnh được điện áp đầu cực máy phát thay đổi được lượng
công suất phản kháng phát vào lưới.Bộ điều khiển kích từ làm việc
nhằm giữ điện áp không thay đổi (với độ chính xác nào đó) khi phụ tải biến
động. Ngoài ra thiết bị tự động điều chỉnh kích từ còn nhằm mục đích nâng
cao giới hạn công suất truyền tải từ máy phát điện vào hệ thống, đảm bảo sự
ổn định tĩnh, nâng cao sự ổn định động.Trong thực tế người ta có 4 hệ thống
kích từ một cách tự động đó là các phương pháp sau:
+ Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều.
+ Hệ thống kích từ dùng các máy phát điện xoay chiều có vành góp.
+ Hệ thống kích từ dùng các máy phát điện xoay chiều không vành
góp.
+ Hệ thống kích từ xoay chiều dùng nguồn chỉnh lưu có điều khiển.
1.2 Yêu cầu về công nghệ
Để cung cấp một cách tin cậy dòng một chiều cho cuộn dây kích từ
của máy phát điện đồng bộ, cần phải có một hệ thống kích từ thích hợp với
công suất định mức đủ lớn.Thông thường đòi hỏi công suất định mức của hệ
thống kích từ bằng (0,2 – 0,6%) công suất định mức máy phát điện.
Dòng điện kích từ chạy trong các cuộn dây rôto của máy phát điện đồng bộ
là dòng điện một chiều vì vậy cần có hệ thống nguồn cung cấp riêng. Hệ
thống kích từ, điều chỉnh dòng kích từ trong quá trình làm việc là thiết bị tự
động điều chỉnh kích từ. Đặc tính của hệ thống kích từ và cấu trúc thiết bị
điều chỉnh kích từ có ý nghĩa quyết định không những đối với chất lượng
điều chỉnh điện áp mà còn đến tính ổn định hệ thống.
1.3 Phạm vi ứng dụng của công nghệ

chỉnh lưu có đảo chiều.
2.1.1. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng
a.Nguyên lý hoạt động.
Mỗi Tiristor được phát 2 xung điều khiển:
- Xung thứ nhất xác định góc mở .
- Xung thứ 2 đảm bảo thông mạch tải.
b.Một số công thức cơ bản.
-Điện áp trên tải: Ud= U
d0cosα
= 2,34U
2cosα
-Dòng điện trên tải: I
d
= .
-Dòng điện trung bình qua van: I
T
=
-Điện áp ngượcđặt lên van: U
ng
=2,45U
2
-Dòng điện phía thứ cấp: I
2
= 0,816I
d
-Dòng điện phía sơ cấp: I
1
= 0,816I
d
.K

=
-Điện áp ngượcđặt lên van: U
ng
=2,45U
2
-Công suất máy biến áp: S
ba
= 1,05P
d
-Công suất tải: P
d
= U
do
.I
o
class="bi x2 y59 w4 h8"
Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng
Nhận xét :Tuy điện áp chỉnh lưu chứa nhiều sóng hài nhưng chỉnh lưu cầu 3
pha không đối xứng có quá trình điều chỉnh đơn giản ,kích thước gọn nhẹ
hơn
2.2. Phân tích các ưu nhược điểm của các mạch công suất
So sánh giữa các phương án điều khiển ta thấy:
- Đỉnh âm của máy điện áp chỉnh lưu bị cắt đỡ nhấp nhô hơn
- 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:
2.3. Tính chọn van công suất

k
u
= 2,34
Thay số vào ta được:
VU
lv
94,20
34,2
20
.45,2 ==
U
nv
=k
dtU
. U
lv
= 1,6 x 20,94 = 33,504 (V)
- Dòng điện của van
Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua
van.
I
d
= 30 (A)
Dòng điện hiệu dụng của van:
I
lv
= I
hd
= k
hd

= 2,5 V
Dòng điện điều khiển I
dk
= 0,06 A
Thời gian chuyển mạch t
cm
= 15 µs
2.4. Tính toán máy biến áp chỉnh lưu
Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây ∆/Y làm mát bằng không
khí tự nhiên.
Tính các thông số cơ bản:
1. Tính công suất biểu kiến của máy biến áp
S = 48 x 3,5 = 168 VA
2. Điện áp sơ cấp máy biến áp
U
l
= 380(V)
3. Điện áp thứ cấp của máy biến áp
Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:
U
do
. Cosα
min
= U
d
+ 2.∆U
v
+ ∆U
dn
+ ∆U

badnvd
do
15,36
10cos
6,900,3.220
cos
.2.2.2
0
min
=
+++
=
+∆+∆+
=
α
Điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
V
k
U
U
u
d
f
45,15
34,2
15,36
2
===
4. Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp
AII

.
.
=
Trong đó:
k
Q
: Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy k
Q
= 6
m: Số trụ của máy biến áp
f: Tần số xoay chiều, ở đây f = 50 Hz
Thay số ta được:
2
46,3
50.3
50
.6 cmQ
Fe
==
7. Đường kính trụ
cm
Q
d
Fe
09,2
46,3.4
.4
===
ππ
Chuẩn hóa đường kính theo tiêu chuẩn d = 3cm

vòng
Lấy tròn W
1
= 4947 vòng
11. Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp
31,3594947.
380
60,27
.
1
1
2
2
===
W
U
U
W
vòng
Lấy tròn W
2
= 359 vòng
12. Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp
Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn J
1
= J
2
= 2,75 A/mm
2
13. Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp

1
1
/25,9
0227,0
21,0
mmA
S
I
J
===
15. Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp
2
2
2
2
04,1
75,2
86,2
mm
J
I
S
===
Chọn dây dẫn tiết diện hìmh tròn, cách điện áp cấp B
Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S
1
= 1,05 mm
2
Kích thước dây dẫn có kể cách điện
S

=
−
=
−
=
c
g
k
b
hh
W
vòng
Trong đó:
k
c
= 0,95 hệ số ép chặt
h: chiều cao trụ
h
g
: khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp
Chọn sơ bộ khoảng cách điện gông là 1,5 cm
18. Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp
137
36
4947
11
1
11
===
W

- 2.S
01
= 3+2.1-2.0,1 = 4,8 cm
23. Đường kính trong của ống cuộn sơ cấp
D
t1
= D
t
+ 2.S
01
= 4,8 + 2.0,1 = 5 cm
24. Chọn bề dầy giữa hai lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd
11
= 0,1 mm
25. Bề dầy cuộn sơ cấp
B
d1
= 0,21.137 = 28 cm
26. Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp
D
n1
= D
t1
+ 2.B
d1
= 5+ 2.28 = 51 cm
27. Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp
cm
DD
D

30. Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp
h
1
= h
2
= 7 cm
31. Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp
1595,0.
55,0
7
.
2
2
12
===
c
k
b
h
W
vòng
Trong đó:
k
c
= 0,95 hệ số ép chặt
h: chiều cao trụ
Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện gông là 1,5 cm
32. Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp
9,23
15

35. Chọn bề dầy giữa hai lớp dây của cuộn sơ cấp: cd
11
= 0,1 mm
36. Bề dầy cuộn thứ cấp
B
d2
= 1,11.11 = 12,21 cm
37. Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp
D
n2
= D
t2
+ 2.B
d2
= 51,2 + 2.12,21 = 75,62 cm
38. Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp
cm
DD
D
nt
tb
41,63
2
622,752,51
2
22
2
=
+
=

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
Bậc 1
642.
5,0
16
1
==
n
lá
Bậc 2
442.
5,0
11
2
==n
lá
Bậc 3
282.
5,0
7
3
==n
lá
Bậc 4
242.
5,0
6

Q
g
= k
hq
.Q
bg
= 0,95.49 = 46,55 cm
2
46. Số lá thép dùng trong một gông
140
5,0
70
5,0
===
b
h
g
lá
47. Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ
T
Qf
U
B
T
T
04,0
10.89,81.4947.50.44,4
380
.W 44,4
4

3
54. Thể tích của gông
V
g
= 2.46,55.43,47 = 4072,19 cm
3
55. Khối lượng của trụ
M
g
= V
g
.m
Fe
= 1,71969.7,85 = 13,49 Kg
56. Khối lượng của gông
M
T
=V
T
.m
Fe
= 4,07219.7,85 = 31,9 Jg
57. Khối lượng của sắt
M
Fe
= M
T
+ M
g
= 31,9 + 13,49 = 45,46 Kg

∆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
lv
= 2,0.17,4 = 34,8 W
+ Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: S
TN
= ∆p/K
m
.τ
Trong đó:
∆p: tổn hao công suất W
τ: độ chênh nhiệt độ so với môi trường
Chọn nhiệt độ môi trường T
mt
= 40
0
C
Nhiệt độ làm việc cho phép của Thyristor T
cp
= 125
0
C

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
07,0
380.3
50
380.3
===
Dòng điện aptomat cần chọn:
I
dm
= 1,1.0,07 = 0,08 A
Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Thyristor,
ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu
I
cc
= 1,1.I
2
= 1,1.2,04 = 2,224 A
2.4.3. Bảo vệ quá điện áp cho van
Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Thyristor được thực
hiện bằng cách mắc R-C song song với Thyristor. Khi có sự chuyển mạch,
các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện

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 nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển U
dk
, tìm thời
điểm với điện áp này bằng nhau (U
dk
= U
rc
). Tại thời điểm hai điện áp này
bằng nhau thì phát xun ở đầu ra để gửi sang tầng khuyếch đại.
- Khâu tạo xung: có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor.
Xung để mở Thyristor cần phải: sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo yêu
cầu Thyristor mở tức thời khi có xung điều khiển; đủ độ rộng; đủ công suất;
cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực( khi điện áp quá lớn).
- khâu khuyếch đại: với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor,
tầng này thường được thiết kế bằng Tranzitor công suất.
3.2. Tính toán các khâu điều khiển
Viêch tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng
khuyếch đại ngược trở lên
Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu chung để mở

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
x
. U
1
. I
1
)/ ∆B
2
Thay số vào ta được:
V = ( 8.10
3
. 1,25.10
-6
. 100.10
-3
. 0,5. 7. 0,02)/0,3
2
= 3,47.10

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
Tiết diện dây quấn thứ cấp:
S
1
= I
1
/J
1
= 66,6.10
-3
/6 = 0,0112 mm
2
Chọn mật độ dòng điện J
1
= 6 (A/mm
2
)

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
490
27.0572,080.0113,0

2211
=
+
=
+
=
cs
ld
Q
WSWS
K
Như vậy, của sổ đủ diện tích cần thiết
3.2.2. Tính tầng khuyếch đại cuối cùng

/ 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:
- Dòng điện định mức: I
dm
= 10 A
- Điện áp ngược lớn nhất: U
N
= 25 V
- Điện áp để cho diode mở thông: U
m
= 1 V
3.2.3. Chọn cổng AND
Toàn bộ mạch điện phải dùng 6 cổng AND nên ta chọn hai IC 4081
họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng NAD, có các thông số:
Nguồn nuôi IC: V
cc
= (3

k
I
U
R
b
6
10.2
12
3
3
9
Trong đó:
U = 12 V; I
b3
= 2mA< 10mA
Chọn C
3
.R
9
= t
x
=100. Suy ra C
3
= t
x
/R
9
C = 100/6,8.10
3
= 0,014µF. Chọn C

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
= 33 kΩ thì T = 2,2.R
8
.C
2
= 200 µs
Vậy: R
8
.C
2
= 90 µs
Chọn tụ C
2
= 0,1 µF có điện áp U = 16 V; R
8

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
r
= R
3
.C
1
= 0,005s.
Chọn tụ C
1
= 0,1 µs thì điện trở R
3
= T
r
/C

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
/I
B
= 12/0,4.10
-3
= 30 kΩ
Chọn R
2
= 30 kΩ
Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: U
A
= 9 V
Điện trở R
1

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
ra
= -12V
Dòng điện đầu ra: I
ra
= 0
÷
1 A
Tụ điện C
1
, C
2

= 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
= 6. U
df
.I
df
= 6.50.0,1 = 0,3 W
8)
Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi
P
N
= P
df

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
QBf
U
W
vòng
13)
Chọn mật độ dòng điện J

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