Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập-Tự do-Hạnh phúc
HÀ NỘI ====ϕ0ϕ==== 1- 1 -
Họ và tên: Nguyễn Thanh Lịch
Khoá : 43
Nghành học: Tự động hoá.

I. Các số liệu ban đầu.
U
d
= 75V ; U
dmax
= 130V ; P
đm
= 24KW ; R
kđ
= 0,8Ω

nghệ kích từ.
5
1. Nguyên tắc điều khiển mở máy 5
2. Nguyên tắc điều chỉnh kích thích 6
I.2. Đề xuất các phương án tổng thể, phân tích ưu, nhược điểm của từng
phương án để đi đến lựa chọn một phương án thực thi thiết kế mạch lực
và mạch điều khiển 7
1. Giới thiệu về mạch lực 7
2. Chọn phương án chỉnh lưu
7
3. Giới thiệu chung về mạch điều khiển 13
4. Lựa chọn phương án thiết kế mạch điều khiển
15
Chương II : THIẾT KẾ MẠCH LỰC
18

1. Tính toán chọn van 18
2. Tính toán các thông số điện áp, dòng điện và công suất máy biến áp 19
3. Tính toán mạch từ MBA 19
Chương III : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 22
1.Tính toán khâu đồng pha và nguyên lý hoạt động của mạch.
22
2.Khâu tạo điện áp răng cưa 24
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
3- 3 -
3. Khâu so sánh 25
4. Khâu phát xung chùm 27
5. Khâu khuyếch đại xung và biến áp xung 29
6- Tính toán khối nguồn và MBA đồng pha 32

ơn tới thầy Phạm Quốc Hải đã tận tình chỉ dẫn, giúp em hoàn thành tốt đồ án môn học này. Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
4- 4 -
Hà nội ngày 5 tháng 12 năm 2001
Sinh viên
Nguyễn Thanh Lịch
Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ VÀ
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ
CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA
. I.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHỦNG LOẠI THIẾT BỊ ĐƯỢC GIAO THỰC HIỆN
THIẾT KẾ, CÔNG NGHỆ KÍCH TỪ.
Động cơ đồng bộ được dùng rộng rãi trong các hệ truyền động điện công suất lớn,
không cần điều chỉnh tốc độ, làm việc ở chế độ dài hạn. Ví dụ: Để truyền động cho các máy
bơm, quạt gió, máy nén khí và một số máy cán lớn. Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của
công nghiệp điện tử, động cơ đồng bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở

kt
, nghĩa là kích thích hình thành sớm quá ảnh hưởng
đến dòng điện stato làm khó khăn cho quá trình kéo vào đồng bộ. Để hạn chế ảnh hưởng của
dòng điện kích thích trong qúa trình khởi động không đồng bộ người ta mắc thêm điện trở
phụ vào mạch kích thích của động cơ không đồng bộ. điều kiện để áp dụng sơ đồ này là:
M
c
≤ 40%M
dd
.
Ngược lại nếu kích thích hình thành quá chậm thì quá trình khởi độnh không đồng bộ kéo
dài sẽ gây quá tải ở dây quấn khởi động.
c/ Cách nối thứ ba:
Dây quấn kích thích được nối vào điện trở phóng điện. Khi đạt tốc độ vào đồng bộ thì
loại bỏ điện trở phóng điện và đóng vào máy kích từ. Về mặt khởi động và kéo vào đồng bộ
thì đây là sơ đồ tốt nhất và được gọi là sơ đồ gián tiếp. Khi không thoả mãn các điều kiện:
M
c
≤ 40%M
dđ
và t
kđ1
≤ t
kt
thì ta phải sử dụng sơ đồ này. Điện trở phóng điện ở sơ đồ này
có những nhiệm vụ sau:
- Hạn chế điện áp trên dây quấn kích thích.
- Làm tốt đặc tính khởi động của động cơ.
- Tiêu tán nhanh năng lượng từ trường khi ngắn mạch phía stato hoặc khi cắt
động cơ khỏi lưới.

CLĐK (vốn có biên độ điện áp nhấp nhô) thành điện áp một chiều phẳng phù hợp với yêu
cầu của tải. Khâu lọc phải thiết kế sao cho tiêu thụ công suất nhỏ nhất.
d/ Khâu phản hồi điện áp: Lấy một phần nhỏ điện áp tải đưa trở về mạch điều khiển để ổn
áp. Muốn vậy thì điện áp phản hồi về phải là phản hồi âm.
e/Khâu phản hồi dòng: Lấy tín hiệu điện áp tỷ lệ với dòng tải phản hồi trở về mạch điều
khiển để bảo vệ dòng hay ngắn mạch.
Ngoài ra còn có khâu đóng ngắt bằng cầu dao điện bảo vệ đặt phía trước biến áp lực.
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
2. Chọn phương án chỉnh lưu
Trước hết, chúng ta phân loại chỉnh lưu thành các loại sơ đồ sau và xét ưu nhược điểm
của chúng:
Các phương án thiết kế mạch lực:
Số liệu yêu cầu: Vd=115 (V), Id = 300 (A)
Tải của kích từ: W
L
>> R (tải cảm lớn -> dòng liên tục)
• Phương án 1: Chọn một trong các sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển một pha một nửa chu
kỳ (-) chỉnh lưu có điều khiển một pha hai nửa chu kỳ, chỉnh lưu cần có điều khiển một pha.
Nhận thấy các sơ đồ nêu trên chỉ thích hợp đối với dòng tải nhỏ vì đối với dòng tải lớn
mà chọn các sơ đồ trên thì sẽ gây ra sự mất đối xứng của lưới -> ảnh hưởng tới sự hoạt động
của các thiết bị khác.
Do vậy mà ta phải dùng các sơ đồ chỉnh lưu ba pha.
• Phương án 2: Chọn một trong các sơ đồ sau:
- Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển.
- Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng.
- Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển không đối xứng.
a/
Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển:
Sơ đồ mạch nguyên lý :
*
Nguyên lý hoạt động:
Khi điện áp trên một van nào đó trong ba van mà dương hơn van còn lại thì van đó sẽ dẫn
khi có xung điều khiển mở van đó.
Do tải có tải cảm lớn nên dòng điện trên tải là liên tục, tức là van dãn sẽ vẫn dãn khi điện
áp âm và van còn lại chưa mở.
Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
αα
π
cos.17,1cos
2
63
22
UUU
d
==

- Giá trị điện áp ngược trên van:

2
.6 UU
ng
=
- Dòng điện trung bình chảy qua thiristor:
I
T
= I
d


T1
T3 T5
T2
T4
T6
Rkt
Lkt
( Lkt>>Rkt )
La
Lb
Lc
Ua
Ub
Uc Đồ thị điện áp và dòng điện:
u

u
a
u
b
u
c
t

d i
T1 - Thực ra sơ đồ cầu pha ba đối xứng là hai sơ đồ hình trên 3 pha ghép lại. Mỗi sơ đồ hình
từ ba pha hoạt động ở một nửa chu kỳ điện áp
- Sơ đồ hình từ ba pha thứ nhất gồm T
1
, T
3
, T
5
ghép catot chung.
- Sơ đồ hình từ ba pha thứ hai ghép anot chung gồm T
2
, T
4
, T
6
Góc mở α được tính từ giao điểm của các nửa hình sin.
L>>R dòng tải là liên tục.
- Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
αα
π

2
-> nó có thể được sử dụng
với điện áp khá cao.
Nhược điểm:
- Mạch điều khiển phức tạp do ta phải tiến hành điều khiển đồng bộ các van dãn
với nhau.
- Điện áp rơi trên van lớn do nhiều van hơn sơ đồ CL từ.
c/
Sơ đồ cầu không đối xứng:
10- 10 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.

T1
T3 T5
T2
T4
T6
Rkt
Lkt
( Lkt>>Rkt )
La
Lb
Lc
Ua
Ub
Uc

Sơ đồ gồm hai nhóm:
- Nhóm mắc Katot chung gồm (T

d
/3
- Giá trị điện áp ngược lớn nhất:
2max
6UU
ng
=
u

u
a
u
b
u
c
T
1
T
3
T
5
T
1
D
6
D
6


θI
2a θ
Nhận xét:
Chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng so với chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng quá trình
điều khiển đơn giản hơn. Nhưng điện áp chỉnh lưu có lúc bằng không. Do vậy mà có nhiều
thành phẩn sóng hài bậc cao.

Kết luận:
Với tải L>>R, Ud=115 (V), Id=320 (A) và qua các phân tích về ưu nhược điểm ở trên,
sinh viên thiết kế chọn sơ đồ cầu ba pha đối xứng. Bởi vì khi dòng điện tải lớn, điện áp tải
cao thì dòng điện trung bình chảy qua van nhỏ và điện áp ngược trên van nhỏ hơn so với sơ
đồ chỉnh lưu từ ba pha. Mặt khác, công suất tổn hao trên van với tải trên là rất nhỏ so với
công suất tải và hiệu suất sử dụng máy biến áp rất tốt. Do vậy ta chọn sơ đồ này. Tuy nhiên
sơ đồ này có nhược điểm là quá trình điều khiển phức tạp hơn.

3. Giới thiệu chung về mạch điều khiển
Muốn tiristor mở cho dòng điện chạy qua thì ta phải đặt lên anot của tiristor điện áp
dương, đồng thời đưa xung điều khiển vào cực điều khiển. Khi mà tiristor đã mở thì xung
điều khiển không còn tác dung và dòng điện chạy qua tiristor do tải quyết định.
a/ Chức năng của mạch điều khiển:

điện chảy vào cực điều khiển. Quan hệ đó được biểu diễn trên hình vẽ sau:
- Do sai lệch về thông số chế tạo và điều kiện làm việc làm cho tiristor mặc dù cùng loại
cũng cõ đặc tính U
đk
= f(I
đk
) khác nhau.
- Với mỗi loại tiristor các đặc tính này dao động giữa hai đặc tính (1) và (2) về yêu cầu độ
lớn của điện áp và dòng điện điều khiển. 13- 13 -
t
x
=1000
μ
s
t
x
=100
μ
s
(2)
(1)
I
II
đường giới hạn

x
= 50÷200 μs với tiristor làm việc ở tần số thấp) và tăng độ rộng của
xung điều khiển sẽ cho phép giảm nhỏ xung điều khiển (như hình vẽ). Khi mạch tải có điện
cảm lớn thì dòng tải tăng chậm nên ta phải tăng độ rộng của xung điều khiển. Độ rộng của
xung điều khiển được tính theo biểu thức:

dtdi
I
t
dt
x
/
=

Trong đó: I
dt
: dòng duy trì của tiristor.
di/dt: tốc độ tăng của dòng tải.

• Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung:
- Độ dốc sườn trước của xung càng cao thì việc mở tiristor càng dễ. Thông thường yêu
cầu độ dốc sườn trước của xung điều khiển là:

1,0≥
dt
dI
dk
A/μs.
- Độ dốc sườn trước của xung càng tăng thì đốt nóng cục bộ tiristor càng giảm.
• Yêu cầu về tính đối xứng của xung trong kênh điều khiển:
a/
Khâu đồng pha
Đây là khâu có nhiệm vụ xác định thời điểm mốc để tính góc mở α. Nó liên hệ chặt
chẽ về pha với điện áp lực. Bên cạch đó nó còn để cách li mạch điều khiển và mạch lực ở
đầu vào hệ điều khiển. Do vậy mà khối đồng pha có thể dùng biến áp để cách li hoặc dùng
phần tử otocupler (phototransistor).
- Trong khâu này ta chọn biến áp để cách li kết hợp với bộ khuếch đại thuật toán và diode
chỉnh lưu để taọ ra xung đồng bộ.

D1
D2
R1
R2
OP1
E+
E-
Rx1
Udk1

Sơ đồ mạch:
R
d
- Sở dĩ ta chọn sơ đồ trên là vì khi thay đổi giá trị của U
đk1
ta sẽ thay đổi được độ rộng của
xung đồng bộ.
b/
Khâu tạo U
Hình 3.
Udp
Dz
C
E+
E-
Hình 3.
+E
t
Urc
Udp
t
Ở sơ đồ hình 1 ta có một mạch tạo U
tựa
tương đối đơn giản, dễ lắp đặt, rẻ tiền nhưng có
nhược điểm rất lớn là điện áp răng cưa trải dài quá 1/2 chu kì của điện áp lưới làm cho việc
xác định góc điều khiển từ điện áp răng cưa rất khó khăn.
16- 16 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
17- 17 -
Ở sơ đồ hình 2 mạch cũng khá đơn giản, điện áp tựa cũng trải ra cả 1/2 chu kì của điện
áp lưới nhưng do đóng mở transistor ở vùng lân cận không nên mạch hoạt động kém tin
cậy.
Ở sơ đồ hình 3 do khuếch đại thuật toán hoạt động có độ tin cậy cao nên tạo ra tín hiệu
U
tựa
có chất lượng rất tốt.

Ua
Ub
Uc- Số liệu yêu cầu : U
d
= 75V ; I
d
= 320A
U
1
=380 V; f=50 Hz; R
kđ
= 0,8A
1. Tính toán chọn van
U
ng
=K
n
×U
2f

Trong đó :
56
34,2
130
34.2
0
2

1
33
1
3
=
×
×==→==
d
vtb
d
v
I
IK
I
I
A
Để van làm việc an toàn thì chọn : I
vmax
= 4×I
v
-Suy ra: I
vmax
= 4×106,7 = 426,8 A
Từ các số liệu trên ta chọn van như sau:
Tiristor KH: ST280CH04C0 có các thông số sau:
U
ngmax
= 400 V;
18- 18 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công

d
U
U
V;
- Điện áp sơ cấp bằng điện áp pha nguồn cấp (220 V)

+ Dòng điện các cuộn dây:
- Dòng điện của cuộn thứ cấp:
I
2
= K
2
.I
d
= 0,82.320 = 262,4 A
- Dòng điện của cuộn sơ cấp:
I
1
= K
ba
.K
1
.I
d
=
1
2
U
U
.0,82 . 320 = 66,8 A

Chọn Q=78 (cm
2
)
19- 19 -
Ta chọn mạch từ : làm bằng tôn silic ∋ 310 có bề dày là 0,35 mm
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
tỷ trọng γ
b
=75 kg/dm
3
tổn hao p=1,3 w/kg. Bề dày lá tôn silic ∋ 310 : 0,35(mm)
a- Tính toán chiều cao sơ bộ của trụ :
Dựa vào công thức kinh nghiệm:

β
π
π
hq
T
l
×
×=
4

Trong đó :
+T
hq
:Tiết diện hiệu quả T
hq

+γ
b
: Tỷ trọng tôn silic (γ
b
=7,5kg/dm
3
).
Vậy trọng lượng của trụ là :
G
T
=3×0,78×7,5×2,6=45,6 (kg).

c/ Tính gông:

20- 20 - 2 2
2
1
1

1
b
l l a
a


T
G
: Tiết diện gông.
γ
b:
: Tỷ trọng tôn silic.
l
G
: Chiều dài của gông.
Thay số vào ta có :
G
g
= 2×0,78×7,5×4,35=50 (kg).
Trọng lượng lõi thép MBA:
G=G
T
+G
g
=45,6+50=95,6 (kg).
d/ Số lá tôn:
-Số lá trụ :
704
1035,05,9
78
3
1
=
××
×
−


1. Tính toán khâu đồng pha và nguyên lý hoạt động của mạch.

R1
R2
R3
RX1
OP1
+E
-E
D1
D2
+E
220V
a
a'
BADF
( II )
Ung

a.
Nguyên lý hoạt động:

Khi sơ cấp của MBA đồng pha được nối vào lưới điện (hình trên chỉ vẽ 1 pha của MBA
đồng pha). Lúc này thứ cấp của MBA xuất hiện hai điện áp U
a0
và -U
a0
có độ lớn bằng nhau
nhưng ngược dấu. Khi trong nửa chu kì đàu tiên điện áp đặt lên D1 dương ( >0,7 V) và điện

II
=-( E-2) V. Vì
vậy mà điện áp ra có dạng xung chữ nhật như hình vẽ.

Time [s]
0.00
20.00m 40.00m 60.00m
Output vol tag e [V]
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
Dien ap dong pha sau chinh luu

22- 22 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.

Time [s]
0.00

+ t
n
:Thời gian nạp của tụ điện.
Trong thực té tính toán để có dải đièu khiển lớnn từ 0÷U
dđmax
thì t
n
<< t
p
hoặc là t
p
<< t
n
.
-Trong khuôn khổ của đồ án ta chọn t
n
<< t
p
cụ thể là:
t
n
= 0,5 ms.
t
p
= 9,5 ms.
-Với t
n
=0,5 (ms) ta phải điều chỉnh R
x1
sao cho :

VU
ng
=

-Vì dòng yêu cầu vào OP1 nhỏ nên chọn R
1
=R
2
=10 (kΩ).
Chọn R
3
=1(kΩ).Ta có:
23- 23 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.

)(66,4
15
65,2
1
13
3
13
3
1
Ω=→
+
×
=
+

U
I
d
d
d
=
×
==

Chọn I
lv
=25%.I
đmv
(dòng làm việc của van bằng 25% dòng điện định mức của van).
→ I
đmv
=4×I
lv
=4×0,2=0,8 (A).
- Điện áp ngược trên van :

34122222 =×=×=
abng
UU (V).
Với hệ số dự trữ là k=2 thì U
ngmax
=34×2=68 (V).
Chọn D1và D2 là loại D-1001 với I=1 (A) và U
ngnãx
=200 (V).


24- 24 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
U
ra
= K
0
. (-U
II
+ U
+
)
Trong đó: U
+
là điện áp đặt ở cửa không đảo;
K
0
là hệ số khuếch đại của bản thân OP2 và K
0
là rất lớn.
Khi U
II
< 0 thì D3 thông dẫn đến U
D
= ( U
+
- U
II
) > 0

55
3
'
2
5,13
0
RR
UU
I
DII
=
Δ+−
=
;
Với: ΔU
D3
là điện áp rơi trên D3. Chọn bằng 0,5 V
U
dII
= (E- 2)= 13 V
Điện áp U
III
chính là điện áp trên tụ C1
U
r
= U
C
=
∫∫
+

- Diot ổn áp D
Z
có nhiệm vụ không cho điện áp trên tụ nạp quá U
DZ
. Chọn loại Diod có
U
DZ
= 10V
Nếu gọi t
n
là thời gian nạp của tụ thì ta có phương trình sau:
U
Z
=
1245
).
155,13
(
C
t
RRR
n
X
+
−

Khi U
II
>0 → D
3

+
−
=+
+
−
124
1
24
).(
15
).(
15

Gọi t
p
là thời gian phóng của tụ điện ta có :
U
r
=
DZ
X
p
U
CRR
t
+
+
−
124
)(