Đồ án môn học: Điện tử công suất
Sinh viên thực hiện: 1 Lời nói đầu
Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật ngày càng đáp ứng những nhu
cầu về tính hiện đại và tự động hóa trong mọi nghành công nghiệp.Bước tiến vượt bậc
của khoa học kỹ thuật là sự ra đời của công nghệ bán dẫn, nó là một yếu tố không thể
thiếu trong ngành công nghiệp tự động hóa.Việc ứng dụng của nó rất rộng rãi trên
nhiều lĩnh v
ực đặc biệt trong lĩnh vực điện tử công suất nó được ứng dụng để chế tạo
các linh kiện điện tử góp phần tạo nên những mạch điều khiển ứng dụng trong điều
khiển động cơ.
Điện tử công suất phục vụ rất hiệu quả cho truyền động điện đặc biệt là điề
u
khiển động cơ.Cũng nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn nữa về những ứng dụng quan
trong trong điều khiển động cơ, đặc biệt là động cơ điện một chiều được sử dụng ngày
càng rộng rãi trong cuộc sống, các sinh viên nghành Điện chúng tôi tham gia làm đồ án
môn học Điện tử công suất nhằm tìm hiểu kỹ hơn vấn đề này.
Đồ án môn h
ọc “Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển theo
nguyên lý arccos cho phần ứng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập” gồm
có 6 chương:
Chương 1:Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Chương 2:Tổng quan về bộ chỉnh lưu cầu một pha
Chươ
ng 3:Tính chọn mạch động lực
Chương 4:Tính chọn mạch bảo vệ và cuộn kháng san bằng
Chương 5:Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên lý ARCCOS
Chương 6:Mô phỏng
Với sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy PGS.TS Đoàn Quang Vinh và các thầy cô

KT
U
KT

Chương 1:
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
1.Đặc tính cơ của động cơ điện
1.1 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
Đặc điểm của động cơ kích từ độc lập là dòng điện kích từ và từ thông động cơ
không phụ thu
ộc dòng điện phần ứng.Sơ đồ nối dây như hình vẽ:
.
a, b,
Hình 1.1 a:Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song
b:Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập
Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch
kích từ thường mắc song song với mạch phần
ứng, lúc này động cơ được gọi là
động cơ kích từ song song.
Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và
mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được

: dòng điện mạch phần ứng
Với R
ư
= r
ư
+ r
cf
+ r
i
+ 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 điện
Sức điện động E
ư
của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức
Trong đó:
2
u

E

Đồ án môn học:

Điện tử công suất
Sinh viên thực hiện:
3

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

2
pN
K
a
π
=
: Hệ số tỉ lệ phụ thuộc cấu tạo của động cơ
Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:

nKE
cö
Φ=
(1-3)


Từ đó ta có:

uf
u
u
RR
U
I
KK
ω
+
=− ×
ΦΦ
(1-4)
Đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác mômen điện từ M
đt
của động cơ tỉ lệ với từ thông và dòng điện phần ứng
được xác định bởi:
M
đt
= K
Φ
I
ư
(1-5)
Suy ra:
dm
u
M

cơ
= M.

()
2
uf
u
RR
U
M
K
K
ω
+
=−
Φ
Φ
(1-7)
Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Nếu bỏ qua ảnh hưởng của phản ứng phần ứng , từ thông của động cơ
Φ
= const thì
các phương trình đặc tính cơ điện (1-4) và phương trình đặc tính cơ (1-7) là tuyến
tính. Đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình là những đường thẳng. Đồ án môn học:

Điện tử công suất
Sinh viên thực hiện:

o
U
K
ωω
==
Φ
(1-8)

o
ω
: được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ
Khi
o
ω
=0 ta có:

nm
fö
ö
I
RR
U
I =
+
=
(1-9)
Và
nm nm
M KI M=Φ =
(1-10)

=− =−Δ
Φ
Φ
(1-12)
trong đó:

.
u
ufo
U
RR R
K
ω
=+ =
Φ()
M.
K
R
I.
K
R
2
ö
Φ
=
Φ
=ωΔ

TN(R
n
)
R
f
1
R
f
2
R
f
3
R
f
4
M
c
M

1.1.2.1 Ảnh hưởng của điện trở phần ứng
Giả thiết U
ư
= U
đm
= const và Φ = Φ
đm
= const
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R
f
vào mạch phần


Khi R
t
càng lớn,
β
càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với R
f
= 0 ta có
đặc tính cơ tự nhiên

()
2
dm
TN
u
K
R
β
Φ
=−
(1-13)
TN
β
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 trở phụ R
f
ta được một họ đặc tính biến trở có dạng như
hình vẽ:


=const, điện trở phần ứng R
ư
= const. Khi thay đổi
điện áp theo hướng giảm so với U
dm
, ta có:
Đồ án môn học:

Điện tử công suất
Sinh viên thực hiện:
6
TN
U
âm
U
1
U
2
U
3
U
4
M(I)
M
c
Tốc độ không tải:
ar
x
ox
dm

01
ω
02
ω
03
ω04
ω

Hình 1.4: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm áp đặt vào
phần ứng động cơ
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 cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định.
Do đó phương pháp này cũng được sử
dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ
và hạn chế dòng điện khi khởi động.

K
v
R
β
Φ
=− =

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi
từ thông giảm thì
ox
ω
tăng, còn
β
sẽ giảm.
Ta có một họ đặc tính cơ với
ox
ω
tăng dần và độ của đặc tính giảm dần khi giảm từ
thông.

Đồ án môn học:

Điện tử công suất
Sinh viên thực hiện:
7
Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:
Dòng điện ngắn mạch:
ons
dm
nm

ω
2
Φ

01
ω

0
ω

1
Φ

0
ω

1
Φdm
ΦTN,
ñm
Φ


⇒
ω
=
ω
o
-
Δω

Ta thấy rằng khi thay đổi R
uf
thì
ω
0
= const còn
Δ
ω
thay đổi , vì vậy ta sẽ được
các đường đặc tính điều chỉnh có cùng
ω
0
và dốc dần khi R
uf
càng lớn với tải như
nhau thì tốc độ càng thấp: M
c
M


Hình 1.6 : a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi R
ưf

b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi R
ưf

Như vậy:0<R
uf1
<R
uf2
<… thì
ω
dm
>
ω
1
>
ω
2
>…, nhưng nếu ta tăng R
ưf
đến một giá trị
nào đó thì sẽ làm cho M
≤
M
c
và như thế động cơ sẽ không quay được và động cơ
làm việc ở chế độ ngắn mạch,
ω

Δω

Ta thấy rằng khi thay đổi
Φ
thì
ω
o
và
Δω
đều thay đổi , vì vậy ta sẽ được đặc tính
điều chỉnh dốc dần ( độ cứng
β
càng giảm) và cao hơn các đường đặc tính cơ tự
nhiên khi
Φ
càng nhỏ, với tải như nhau thì tốc độ càng cao khi giảm từ thông
Hình 1.7 :a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi
Φ

01
ω
02

0
M
M
c
M
n2
M
n1
ω
2
ω
1
Φ
1
Φ
2
Φ
dm
b)

-
U
ư
R
F
E


Điện tử công suất
Sinh viên thực hiện:
9
Như vậy :
Φ
đm
>
Φ
1>
Φ
2>… thì
dm
ω
<
1
ω
<
2
ω
<…, nhưng nếu giảm
Φ
quá nhỏ
thì có thể lam cho tốc độ động cơ lớn quá giới hạn cho phép , hoặc làm cho điều
kiện chuyển mạch bị xấu đi do dòng phần ứng tăng cao , hoặc để đảm bảo chuyển
mạch bình thường thì cần phải giảm dòng phần ứng và như vậy sẽ làm cho mômen
cho phép trên trục động cơ giảm nhanh, dẫn đển động cơ bị quá tải.
1.2.3.Phương pháp đ
iều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của
động cơ:

thì phải có
bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp ra , thường dùng các bộ biến đổi. Hình 1.8 : a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi U
ư

b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi U
ư

Các bộ biến đổi có thể là: Bộ biến đổi máy điện :dùng máy phát một chiều(F),máy
khuếch đài (MĐKĐ); bộ biến đổi từ:mạch khuyếch đại từ(KĐT) một pha ,ba pha:bộ
biến đổi điện tử bán dẫn: các bộ chỉnh lưu (CL) dùng thyristor, các bộ băm điện
áp(BĐA) dùng thyristor, transistor…


ω
dm
M
c
-ω
udm
-U
udm
U
udm
U
u1
< 0
U
u1
> 0
U
u
= 0
Đồ án môn học:

Điện tử công suất
Sinh viên thực hiện:
10
Chương 2:
TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA


đưa vào cực điều khiển.
Tại thời điểm
1
θ
=
α
1
( 0
≤

1
θ
≤

π
) ta đưa xung kích khởi vào T
1
và T
3
làm cho T
1
, T
3

mở lúc này trong mạch có dòng điện i
d
qua tải qua T
3
trở về nguồn,lúc này u
d


2
θ
≤
2
π
, tính cực dương tại B, cực âm tại A.HaiThyristor
T
2
và T
4
cũng đang ở trạng thái chờ mở cho dòng chảy qua.
Tại thời điểm: θ
2
=
π
+θ
1
=
π
+
α
(
α
góc điều khiển) ta đưa xung kích khởi vào mở T
2

và T
4

T
1
1
1
T
2
T
3
T

4

i
T4

R
u
d
i
T1

L
i
d
A

B
E

π
+θ
π
+
π
=θ
π
↔
++=θ↔
∫∫∫∫
α+π
α
α+π
α
α+π
α

Trong đó: U
di
= U
dio
cos
α
; U
dio
=
2
m
U
π

d
0
2
ππ
u
d
θ
α
θ
2
θ
1
θ
i
v2,4
θ
i
θ
I
d
I
d
i
v1,3
u
d
u

Hình 2.2: Dạng sóng điện áp chỉnh lưu


=
cho xung điều khiển mở T
2
,T
4
. vì sự có mặt của L
k
nên dòng i
T1,3
không
thể giảm đột ngột từ I
d
về 0, mà dòng i
T2,4
cũng không thể tăng đột ngột từ 0 đến I
d
.
Lúc này cả 4 Thyristor đều mở (cùng dẫn)
→
phụ tải bị ngắn mạch, U
d
=0, nguồn
cũng bị ngắn mạch sinh ra dòng điện ngắn mạch(i
k
)
Ta có phương trình:
2sin
k
k
di

L
θα
θ
αθα αθα
ω
+=
⎡⎤⎡⎤
→= − + = − +
⎣⎦⎣⎦
=

Đặt
12
kk k
iii=+
, với
12
2
k
kk
i
ii==

i
k1
làm tăng dòng trong T
4
, làm giảm dòng trong T
3
;

=−+
⎣⎦
⎡⎤
=− − +
⎣⎦

Kết thúc giai đoạn trùng dẫn tức là khi
θ μ
=
; i
T1,3
= 0 nên phương trình chuyển
mạch có dạng:
() ()
2
cos cos *
2
kd
XI
U
αμα
−+=

Xác định
:U
μ
Δ

() ()()
2

α
π
=

Đồ án môn học:

Điện tử công suất
Sinh viên thực hiện:
13
Khi L
k

≠
0 trị trung bình điện áp :
2
'
kd
dd
X I
UU
π
⋅
=− V
4


Điện tử công suất
Sinh viên thực hiện:
14
θ
1
θ
2
θ
3
α
θ
d
π
2
π
0

i
d
I
d
i
v1
i
v2
θ
α
μ
0

2V.Do có cuộn kháng san bằng nên sụt áp khoảng 0.8 %. Vậy điện áp chỉnh lư
u
không tải là:
U
d0
= U
d
+
Δ
U
v
+
Δ
U
ba
+
Δ
U
dn

Trong đó: U
d
=110V – điện áp chỉnh lưu

Δ
Uv = 2V – sụt áp trên các van

Δ
U
ba

= 0,05 x 110 = 5,5V
⇒
Δ
U
ba
= 7,7 + 5,5 = 13,2V

Δ
U
dn
– sụt áp trên dây nối:
Δ
U
dn
= Rd
n
.I
d
=
..
d
l
I
S
ρ
Xem
Δ
U
dn
~0

α
=0
o
(cos
α
= 1 ) thì Thyristor dẫn như một điode ta có:
U
do
=
2
22
U
π

Suy ra :
U
2
=
3,14.125,2
140
22 22
do
U
V
π
==

Tỷ số máy biến áp :

2

2,35
1,175
22
d
T
I
I A== =

Giá trị hiệu dụng của dòng chảy qua thứ cấp máy biến áp :
I
2
= I
d
= 2,35 (A)
Giá trị hiệu dụng của dòng chảy qua pha sơ cấp máy biến áp :
I
1
= m.I
2
= 0,636. 2,35 = 1,5 (A)
3.1.2 Chọn Thyristor :
Dựa vào dòng trung bình qua mỗi Thyristor và điện áp ngược lớn nhất trên mỗi
Thyristor để chọn Thyristor:
Chọn Thyristor có hệ số dự trữ dòng K
i
= 1,2 và hệ số dự trữ điện áp K
u
= 1,6
Vậy Tiristor chọn phải chịu được :
Điện áp ngược lớn nhất :

pikmax
= 160(A)
Dòng điện của xung điều khiển
I
gmax
= 200(
μ
A)
Điên áp của xung điều khiển U
gmax
= 0.8(V)
Dòng điện rò
I
rmax
= 200 (
μ
A)
Sụt áp max của thyristo ở thời điểm dẫn
Δ
U
max
= 1,7(V)
Tốc độ thay đổi điện áp
du
dt
= 25(V/s)
Thời gian chuyển mạch
t
cm
=40

SS
++
==
VA