Điện tử công suất
LỜI NÓI ĐẦU
Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng
của các linh kiện bán dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch và
quá trình biến đổi điện năng.
Ngày nay, không riêng gì ở các nước phát triển, ngay cả ở nước ta
các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và
cả trong lĩnh vực sinh hoạt. Các xí nghiệp, nhà máy như: ximăng, thủy
điện, giấy, đường, dệt, sợi, đóng tàu… đang sử dụng ngày càng nhiều
những thành tựu của công nghiệp điện tử nói chung và điện tử công suất
nói riêng. Đó là những minh chứng cho sự phát triển của ngành công
nghiệp này.
Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đaị hoá đất nước, ngày càng có
nhiều xí nghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ
kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất. Cũng với lý
do đó, trong học kỳ này em được nhận đồ án môn học điện tử công suất,
đề tài: “Thiết kế mạch điều khiển cho chỉnh lưu tia ba pha để cấp điện
cho động cơ điện một chiểu không đảo chiều quay”.
1
Điện tử công suất
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy
Khương Công Minh và thầy Lê Tiến Dũng trong quá trình làm đồ án môn
học với đề tài trên.
Mặc dù đã dành nhiều cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi những
sai sót nhất định, em mong được sự góp ý, chỉ bảo của thầy, cô.

2
Điện tử công suất
MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương
pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện

 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
4
Điện tử công suất
2/ Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều:
- Ưu điểm:
Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ.
Có nhiều phương pháp hãm tốc độ.
- Nhược điểm:
Tốn nhiều kim loại màu
Chế tạo, bảo quản khó khăn
Giá thành đắt hơn các máy điện khác
3/ Sơ đồ và nguyên lý hoạt động

II- Đặc tính cơ của máy điện một chiều:
Quan hệ giữa tốc độ và mômen động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ.
ω = f(M) hoặc n = f(M).
5
R
KT
C
KT
R
f
U
æ
I
KT


Trong đó:U
æ
- điện áp phần ứng, (V)
E
æ
- sức điện động phần ứng,(V)
R
æ
- điện trở của mạch phần ứng
R
f
- điện trở phụ trong của mạch phần ứng
Với: R
æ
= r
æ
+ r
cf
+ r
b
+ r
ct
Trong đó:
r
æ
- điện trở cuộn dây phần ứng. Hình 1- 1
r
cf
- điện trở cuộn cực từ phụ.

a
pN
=
2
Trong đó:
p- số đôi cực từ chính.
N- số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
a- số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng.
φ- từ thông kích từ dưới một cực từ.
ω- tốc độ góc,rad/s
k =
a
pN
π
2
- hệ số cấu tạo của động cơ.
Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút)
thì:
E
æ
= K
e
.φn
Với: ω =
55.960
2 nn
=
π
Vì vậy: E
æ

φφ
ω
+
−=
Là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác, mômen điện từ M
ât
của động cơ được xác định bởi:
M
ât
= Kφ I
æ

Suy ra: I
æ
=
φ
K
M
ât
Thay giá trị I
æ
vào phương trình đặc tính của động cơ ta được:
ât
fæ
æ
M
K
RR
K

−=
Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập.
Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông φ = Const, thì các
phương trình đặc tính cơ điện và phương tình đặc tính cơ là tuyến tính. Đồ thị
của chúng được biểu điển trên hình (1-2) là những đường thẳng.
Theo các đồ thị trên, khi I
æ
= 0 hoặc M = 0 ta có:
8
Điện tử công suất
0
ω
φ
ω
==
K
U
æ
ω
0
: gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ.
Còn khi ω = 0 ta có:
nm
fæ
æ
I
RR
U
I

I
âm
I
nm
I I
ω ω
M
âm
M
nm
Hçnh 1-2
Điện tử công suất
ωω
φφ
ω
∆−=−=
0
K
RI
K
U
æ
M
K
R
K
U
æ
.
)(

ứng động cơ.Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó:
a) Ảnh h ư ởng của điện trở phần ứng:
Giả thiết rằng U
æ
=U
âm
= Const
và φ = φ
âm
= Const.
10
ω
0
TN(R
n
)
Hçnh 1-3
R
f1
R
f2
R
f3
R
f4
M
c
Điện tử công suất
Muốn thay đổiđiện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R
f

f
càng lớn β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với
R
f
=0 ta có đặc tính cơ tự nhiên:
( )
æ
âm
TN
R
K
2
φ
β
=
β
TN
có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả
các đường đặc tính có điện trở phụ. Như vậy khi thay đổi điện rơi R
f
ta
được một họ đặc tính biến trở như hình (1-5) ứng với mổi phụ tải M
c
nào
đó, nếu R
f
càng lớn thì tốc độ cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn
mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta thường sử dụng
11
Điện tử công suất

=−=
2
φ
β
Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được
một họ đặc tính cơ song song như trên (Hình 1-4).
Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch,
dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ củng giảm ứng
với một phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này củng được sử dụng để
điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động.
12
ω
ω
0
ω
01
ω
02
ω
03
ω
04
U
âm
U
1
U
2
U
3

Độ cứng đặc tính cơ:
( )
Var
æ
R
x
K
=−=
2
φ
β
Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ
thông. Nên khi từ thông giảm thì ω
0x
tăng, còn β giảm ta có một họ đặc
tính cơ với ω
0x
tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ
thông. Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:
Dòng điện ngắn mạch: I
nm
=
Const
R
U
æ
âm
=
Mômen ngắn mạch: M
nm

2
φ
âm
φ
1
M
c
M
I
nm
0
Điện tử công suất
Các đặc tính cơ điện và đặc tính của động cơ khi giảm từ thông được
biểu diễn ở hình (1-5)a. Với dạng mômen phụ tải M
c
thích hợp với chế độ
làm việc của động cơ khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên, như ở
hình (1-5)b.
III- Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích
từ độc lập bằng phương pháp điện áp:
Truyền động điện được dùng để dẫn động các bộ phận làm việc của
các máy sản xuất khác. Thường phải điều chỉnh tốc độ chuyển động của
các bộ phận làm việc. Vì vậy điều chỉnh tốc độ động cơ điện là biến đổi
tốc độ một cách chủ động, theo yêu cầu đặt ra cho các qui luật chuyển
động của bộ phận làm việc mà không phụ thuộc mômen phụ tải trên trục
động cơ.
Xét riêng về phương diện tốc độ của động cơ điện một chiều là có
nhiều ưu điểm hơn với các loại động cơ khác, không những có thể điều
chỉnh tốc độ dễ dàng, đa dạng các phương pháp điều chỉnh, cấu trúc mạch
động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn. Đồng thời đạt chất lượng điều

CKT
Hình 1-6
Điện tử công suất
thuận lợi cho việc thiết lập hệ thống 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
ϕ
cos
của hệ thống nói chung là thấp. Tính dẫn điện 1 chiều
của van buộc ta phải sử dụng 2 bộ biến đổi để cấp điện cho động cơ có
đảo chiều quay.
a) Sơ đồ thay thế tính toán:

Từ phương trình đặc tính động cơ tổng quát:
ωωω
φ
φ
ω
∆−=⇒−=
0
2
.
)(
M
K
R
K
U

E
dm
CLu
dm
d
.
)(
cos.
2
0
φ
φ
α
ω
+
−=
ωωω
φ
φ
α
ω
∆−=⇒
+
−=
0
2
0
.
)(
cos.

nhau và có 3 cực anốt, catốt và cực điều khiển riêng G

Kí hiệu:
18
A
P
1
P
2
N
1
K
N
2
G
J
2
J
3
E
i
J
1
+
+
+
+
+
+
+

được đặt dưới 1 điện áp dương.
a) Mở tiristor :
Nếu cho một xung điện áp dương U
g
tác động vào cực G (dương so
với K ) thì các electron tư N
2
chạy sang P
2
. Đến đây một số ít trong chúng
chảy về nguồn U
g
và hình thành dòng điều khiển I
g
chảy theo mạch G
1
- J
3
- K - G , còn phần lớn điện tử dưới sức hút cuả điện trường tổng hợp của
mặt J
2
lao vào vùng chuyển tiếp này chúng được tăng tốc do đó có động
năng rất lớn sẽ bẻ gẫy các liên kết giữa các nguyên tử Si, tạo nên các điện
19
in t cụng sut
t t do mi. S in t ny li tham gia bn phỏ cỏc nguyờn t Si khỏc
trong vựng chuyn tip. Kt qu ca cỏc phn ng dõy chuyn ny lm
xut hin cng nhiu in t chy vo vựng N
1
qua P

ữ1,2 ). I
gst
)
gst
I
E
G
)2,11,1(
=

I
g
: Giaù trở doỡng õióửu khióứn ghi trong sọứ tay tra
cổùu tiristor
R
2
= 100ữ 1000() -E
+E
K
T
R
2
R
t
R
1
Hỗnh 2-2a

J
3
phân cực
ngược, J
2
phân cực thuận. Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính
U
AK
< 0 đang có mặt tại P
1
, N
1
,

P
2
, bây giờ đảo chiều hành trình, tạo nên
dòng điện ngược chảy từ Catốt về Anốt và về cực âm của nguồn điện áp
ngoài.- Lúc đầu quá trình từ t
0
→ t
1
, dòng điện ngược khá lớn, sau đó J
1
, J
3
trở nên cách điện. Còn một ít điện tử được giữ lại giữa hai mặt ghép, hiện

dòng thứ 2 chảy theo mạch +E - R
2
-T
1
- -E.
- Tụ C được nạp điện đến giá trị E, bản cực dương ở B, bản cực âm
ở A. Bây giờ nếu cho một xung điện áp dương tác động vào G
2
→T
2
mở
nó sẽ đặt điện thế điểm B vào catốt của T
1
. Như vậy là T
1
bị đặt dưới điện
áp U
c
= -E và T
1
bị khoá lại.
-T2 mở lại xuất hiện 2 dòng điện : Dòng thứ nhất chảy theo mạch: +
E - R
1
-C - T
2
- -E. Còn dòng thứ hai chảy theo mạch: +E - R
2
- T
2

c
U
dt
du
RCE
+=
1
.
Viết dưới dạng toán tử Laplace:
( ) ( )
[ ]
{ } ( )
pUUpUPRC
E
P
ccc
+−=
0
1
Vì
( )
EU
c
−=0
nên
( )
( )
app
EQ
pU

bắt đầu trở thành dương, vậy ta
có:
23
Điện tử công suất
( )
CRteE
off
toffa
1
.
.693,00.21
=→=−
−
hoặc
1
.693,0 R
t
C
off
=
I
E
R =
1
sẽ nhận được
E
tI
C
off
44,1

I
0
U
th
U
ch
Hçnh 2-3
Điện tử công suất
Đoạn 3 : Ứng với trạng thái mở của tiristor. Khi này cả 3 mặt ghép
đã trở thàng đẫn điện. Dòng chảy qua tiristor chỉ còn bị hạn chế bởi điện
trở mạch ngoài. Điện áp rải trên tiristor rất lớn khoảng 1V. Tiristor được
giữ ở trạng thái mở chừng nào I còn lớn hơn dòng duy trì I
H
.
Đoạn 4 : Ứng với trạng thái tiristor bị đặt dưới điện áp ngược. Dòng
điện rất lớn, khoảng vài chục mA. Nếu tăng U đến U
ng
thì dòng điện
ngược tăng lên nhanh chóng, mặt ghép bị chọc thủng, tiristor bị hỏng.
Bằng cách cho I
g
lớn hơn 0 sẽ nhận được đặt tính Volt - Ampe với các U
ch
nhỏ dần đi.
II- Chỉnh lưu hình tia 3 pha:
1/ Sơ đồ và dạng sóng:
25