Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Đồ án môn học Điện Tử Công Suất Mai Sỹ Hùng - CH9 - Tự Động
Hoá
Đồ án môn học
Điện tử công suất
Giáo viên hướng dẫn: Võ Minh Chính.
Nhóm sinh viên thực hiện:
Đoàn Thị Quỳnh Lan
Vũ Trung Dũng
Nguyễn Tiến Dũng
Đoàn Minh Dung
Mai Sỹ Hùng
1

Hoá
MỤC LỤC
CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU..........................................................4
CHƯƠNG II: CHỌN PHƯƠNG ÁN MẠCH LỰC................................................11
CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN MẠCH LỰC VÀ MÁY BIẾN ÁP...........................20
CHƯƠNG IV: CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ MẠCH LỰC VÀ CÁC VAN BÁN DẪN
.....................................................................................................................................36
Ta sử dụng vi mạch LMC6762A/NS với sơ đồ như sau:.........................................44
CHƯƠNG VII: MÔ PHỎNG...................................................................................52
KẾT LUẬN................................................................................................................57
ĐỀ 21
Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc đối
xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều (kích từ nam châm vĩnh
cửu) với số liệu cho trước như sau:
Phương án
Điện áp lưới
điện (VAC)
Dòng điện
định mức
Điện áp phần
ứng
Phạm vi điều
chỉnh tốc độ
4 127 6A 400V 25:1
2

Hoá
MỞ ĐẦU
Trong nền sản suất hiện đại, máy điện một chiều được coi là một loại máy điện
quan trọng. Nó được dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong các điều
kiện làm việc khác.
Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì vậy được dùng
nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán
thép, hầm mỏ, giao thông vận tải.
Mặc dù động cơ điện có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp, nhưng
luôn đi kèm với nó là những yêu cầu về điện áp, dòng điện. Chính vì vậy cần một
phương pháp nhằm đáp ứng được những yêu cầu trên.
Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu những ứng dụng các
linh kiện bán dẫn làm việc ở chế độ chuyển mạch vào quá trình biến đổi điện năng.
Hiện nay các thiết bị điện tử công suất chiếm hơn 30% trong số các thiết bị của một xí
nghiệp hiện đại. Nhờ chủ trương mở cửa ngày càng có thêm nhiều xí nghiệp mới, dây
truyền sản xuất mới, đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử
công suất về vi mạch và vi xử lý. Xuất phát từ yêu cầu thực tế và tầm quan trọng của
bộ môn điện tử công suất các thầy cô trong bộ môn điện tử công suất đã cho chúng em
từng bước tiếp xúc với việc thiết kế thông qua đồ án môn học điện tử công suất.
Đối với những sinh viên năm thứ 3, đây là lần đàu tiên tiếp xúc với thực tế.
Chính vì vậy, trong quá trình thực hiện đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót nên
em rất mong sự góp ý của thầy cô và các bạn để đồ án được tốt hơn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Tự động hoá xí nghiệp
công nghiệp và đăc biệt là thầy giáo ts.Võ Minh Chính tận tình hướng dẫn em hoàn
thành đồ án này.
3

Hoá
CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Trong nền sản xuất hiện nay, động cơ điện Không Đồng Bộ đang chiếm ưu thế
so với động cơ điện một chiều. Đó là do sự ra đời của các máy biến tần, tuy vậy việc
điều chỉnh tốc độ động cơ điện Không Đồng Bộ vẫn còn là việc khó khăn. Do vậy,
động cơ điện một chiều với đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt vẫn còn được dùng nhiều
trong trong các ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ.
Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về động cơ điện một chiều dưới các góc độ:
• Nguyên lý hoạt động chung.
• Cấu tạo chung.
• Các phương pháp điều chỉnh tốc độ.
• Các chế độ khởi động của động cơ điện một chiều.
I. NGUYÊN LÝ CHUNG
Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý của hiện tượng cảm ứng
điện từ.
Như ta đã biết thanh dẫn có dòng điện đặt trong từ trường sẽ chịu tác dụng lực
từ. Vì vậy khi cho dòng điện một chiều đi vào chổi than A và đi ra ở chổi than B thì
các thanh dẫn sẽ chịu tác dụng của lực từ. Bên cạnh đó do dòng điện chỉ đi vào thanh
dẫn nằm dưới cực N và đi ra ở các thanh dẫn chỉ nằm trên cực S nên dưới tác dụng của
từ trường lên các thanh dẫn sẽ sinh ra mô men có chiều không đổi và làm cho roto của
máy quay.
4
I

Hoá
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 gọi
là động cơ kích từ độc lập.
Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn Ukt, dây cuốn kích từ sinh ra
từ thông Φ. Trong tất cả các trường hợp, khi mở máy bao giờ cũng phải đảm bảo có
Φmax tức là phải giảm điện trở của mạch kích từ Rkt đến nhỏ nhất có thể. Cũng cần đảm
bảo không xảy ra đứt mạch kích thích vì khi đó Φ = 0, M = 0, động cơ sẽ không quay
được, do đó Eư = 0 và theo biểu thức U = Eư + RưIư thì dòng điện Iư sẽ rất lớn làm
cháy động cơ. Nếu mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản (M > Mc) rôto
bắt đầu quay và suất điện động Eư sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n. Do sự xuất hiện
và tăng lên của Eư, dòng điện Iư sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn.
II. CẤU TẠO CHUNG.
Động cơ điện một chiều bao gồm hai phần chính là:
• Phần tĩnh: Stato.
• Phần quay: Roto.
1. STATO.
Đây là phần đứng yên của máy. Phần tĩnh bao gồm các bộ phận sau: cực từ
chính, cực từ phụ, gông từ và các bộ phận khác.
a. Cực từ chính.
Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng
ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ được làm bằng các lá thép KTĐ hay thép cácbon
dày 0.5 đến 1 mm ép lại và tán chặt.
Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều
được bọc cách điện thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên trên các cực
từ. Các cuộn dây này được nối nối tiếp với nhau.
b. Cực từ phụ.
Cực từ phụ được đặt giữa các cực tù chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi
thép của cực tù phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn
5

Hoá
mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ nhờ các
bulông.
c. Gông từ.
Gông từ được dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ , đồng thời làm vỏ máy.
d. Các bộ phận khác.
Ngoài ba bộ phận chính trên còn có các bộ phận khác như: Nắp máy, cơ cấu
chổi than.
• Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hỏng dây quấn
hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện.
• Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than
gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp.
Hộp chổi than được cố định lên giá chổi than và cách điện với giá đó. Giá chổi
than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than đúng chỗ.
2. Roto.
Roto của động cơ điện một chiều bao gồm các bộ phận sau: lõi sắt phần ứng,
dây quấn phần ứng, cổ góp và các bộ phận khác.
a. Lõi sắt phần ứng.
Dùng để dẫn từ. Thường làm bằng những tấm thép KTĐ (thép hợp kim silix)
dày 0.5 mm bôi cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện
xoáy gây nên.
b. Dây quấn phần ứng.
Là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng
thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ (công suất dưới vài
kilowatt) thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng
dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
Để tránh khi bị văng ra do sức li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt
hoặc phải đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay ba-ke-lit.
6

Hoá
c. Cổ góp.
Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện
xoay chiều thành một chiều. Cổ góp có nhiều phiến đồng có đuôi nhạn cách điện với
nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một trụ tròn. Hai đầu trụ tròn
dùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành góp có cao hơn một ít để hàn các
đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng.
d. Các bộ phận khác.
• Cánh quạt: dùng dể quạt gió làm nguội động cơ. Động cơ điện một chiều
thường được chế tạo theo kiểu bảo vệ. Ở hai đầu nắp động cơ có lỗ thông gió.
Cánh quạt lắp trên trục động cơ. Khi động cơ quay, cánh quạt hút gió từ ngoài
vào động cơ. Gió đi qua vành góp, cực từ, lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió
ra ngoài làm nguội động cơ.
• Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục động cơ
thường được làm bằng thép cácbon tốt.
III. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.
Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình sau:
nn
C
RRIU
C
E
n
e
fuu
e
∆−=
+−
== 0
.
)(
. θθ
với







+
=∆
=
θ
θ
.
).(
.
0
e
fuu
e
C
RRI
n
C
U
n
hay 2
).(
. θθ eM
fu
e CC
MRR
C
U
n
+
−=
Từ hai phương trình trên ta thấy n (tốc độ của động cơ) phụ thuộc vào θ (từ
thông), R (điện trở phần ứng), U (điện áp phần ứng). Vì vậy để điều chỉnh tốc độ của
động cơ điện một chiều ta có ba phương án.
• Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ
• Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên
mạch phần ứng.
7

Hoá
• Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.
1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ
Đồ thị hình trên cho thấy đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ứng
với các giá trị khác nhau của từ thông. Khi từ thông giảm thì n0 tăng nhưng ∆n còn
tăng nhanh hơn do đó ta mới thấy độ dốc của các đường đặc tính cơ này khác nhau.
Chúng sẽ cùng hôi tụ về điểm trên trục hoành ứng với dòng điện rất lớn: Iư = (U/Rư).
Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ định mức. Giới hạn trong việc
điều chỉnh tốc độ quay bằng phương pháp này là 1:2; 1:5; 1:8.
Tuy nhiên có nhược điểm khi sử dụng phương pháp là phải dùng các biện pháp
khống chế đặc biệt do đó cấu tạo và công nghệ chế tạo phức tạp, khiến giá thành máy
tăng.
2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng.
Ta có:
2
).(
. θθ eM
fu
e CC
MRR
C
U
n
+
−=
Từ thông không đổi nên n0 không đổi, chỉ có ∆n là thay đổi. Một điều dễ thấy
nữa là, do ta chỉ có thể đưa thêm Rf chứ không thể giảm Rư nên ở đây chỉ điều chỉnh
được tốc độ dưới tốc độ định mức.
M(Iư
)
θδ
’’’
θδ
’’
θδ
’
θδđm
n (vòng/phút)
n0
’’’
n0
’’
n0
’
n0đm
Mđm
(Iđm
)
8

Hoá
Do Rf càng lớn đặc tính cơ càng mềm nên tốc độ sẽ thay đổi nhiều khi tải thay
đổi (từ đồ thị cho thấy, khi I biến thiên thì ứng với cùng dải biến thiên của I đường đặc
tính cơ nào mềm hơn tốc độ sẽ thay đổi nhiều hơn).
Tuy nhiên phương pháp này làm tăng công suất và giảm hiệu suất.
3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.
n (vòng/phút)
n0
Rf0
Rf1
Rf2
Rf3
Mđm
(Iđm
) M(Iư
)
n (vòng/phút)
M(Iư
)
4
2
3
1 (Uđm
)
Mđm
(Iđm
)
9

Hoá
Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ cả trên và dưới định mức. Tuy
nhiên do cách điện của thiết bị thường chỉ tính toán cho điện áp định mức nên thường
giảm điện áp U. Khi U giảm thì n0 giảm nhưng ∆n là const nên tốc độ n giảm. Vì vậy
thường chỉ điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức. Còn nếu lớn hơn thì chỉ điều
chỉnh trong phạm vi rất nhỏ.
Đặc điểm quan trọng của phương pháp là khi điều chỉnh tốc độ thì mô men
không đổi vì từ thông và dòng điện phần ứng đều không thay đổi (M = CM. θ. Iư).
Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ trong giới hạn 1:10, thậm chí cao hơn
nữa có thể đến 1:25.
Phương pháp chỉ dùng cho động cơ điện một chiều kích thích độc lập hoặc song
song làm việc ở chế độ kích từ độc lập.
10

Hoá
CHƯƠNG II: CHỌN PHƯƠNG ÁN MẠCH LỰC
I. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ.
Theo đề bài thì động cơ làm việc với kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên từ
thông của nó không thay đổi và do đó ta không thể điều chỉnh tốc độ bằng cách thay
đổi từ thông được.
Cũng từ đề bài, điện áp phần ứng là U = 24(V), dòng điện phần ứng là Iư = 45
(A) nên công suất của động cơ chỉ là 1080 (W). Công suất này nhỏ do đó ta không
dùng phương pháp thêm điện trở phụ vào vì như vậy sẽ khiến hiệu suất kém đi.
Với phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng ta thấy
ngay các ưu điểm của nó so với hai phương pháp trên là:
• Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt để) hơn,
tổn hao công suất điêù khiển nhỏ.
• Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen ngắn
mạch giảm, dòng ngắn mạch giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động
động cơ.
• Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen điều chỉnh xác
định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục.
Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải có
nguồn áp điều chỉnh được xong nó là không đáng kể so với vai trò và ưu điểm của nó.
Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi.
II. CHỌN SƠ ĐỒ MẠCH LỰC.
Theo yêu cầu của đề bài ta cần sử dụng mạch băm xung áp một chiều theo
phương pháp không đối xứng để điều khiển tốc độ của động cơ và có cả đảo chiều.
Mạch băm xung áp cần nguồn là nguồn một chiều. Do không có nguồn Ácquy
nên nên ta phải lấy điện áp từ lưới điện xoay chiều. Do đó để có được nguồn một chiều
cho mạch băm xung áp ta sẽ phải dùng một mạch chỉnh lưu. Và ở đây ta dùng mạch
chỉnh lưu không điều khiển (các van là diode). Để chất lượng điện áp sau bộ chỉnh lưu
11

Hoá
tốt hay nói cách khác giảm được hệ số đập mạch của điện áp sau chỉnh lưu ta cần có
thêm bộ lọc ở sau khâu chỉnh lưu.
Bên cạnh đó để có giá trị mong muốn của nguồn một chiều thì khi lấy từ lưới
điện xoay chiều vào ta phải dùng thêm máy biến áp.
Do công suất của động cơ P = Uư*Iư = 24 * 45 = 1080 (W) < 10 kW nên động
cơ làm việc với công suất ở đây là nhỏ. Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu một pha (loại 3
pha chỉ dùng cho công suất trên 10 kW). Ta không chọn mạch chỉnh lưu 1 pha có điểm
trung tính vì như vậy chất lượng điện áp sẽ thấp và lúc này cấu tạo máy biến áp sẽ
phức tạp hơn (cuộn dây bên thứ cấp sẽ phức tạp).
Tải mà chúng ta xét ở đây là động cơ điện. Với mô hình băm xung thì nó
thường được ứng dụng trong các máy nâng hàng do đó yêu cầu về độ ổn định tốc độ là
không cao. Ta hoàn toàn có thể chọn độ ổn định tốc độ trong một giới hạn nào đó. Ở
đây để tiện cho việc tính toán ta sẽ chọn độ ổn định tốc độ của động cơ là 6.7%.
Do chỉnh lưu cầu một pha nên biến áp ta dùng cũng là loại biến áp một pha.
12

Hoá
Sơ đồ mạch lực của hệ thống ban đầu như sau:
13

Hoá
Sơ đồ khối của hệ thống như sau:
C10
L2
R5R4
R3R2
C5C4
C3C2
M1
L1
Q2 Q3
D21 D22
D20D19
Q4
Q1
C1
D15 D16
D17 D18
C6 C7
C8 C9
50
Hz
V25
-110/110V
T5
R1
R6 R7
R8 R9
14

Hoá
III. NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH LỰC.
1. Khâu chỉnh lưu cầu một pha.
Trong khoảng thời gian từ 0 - ∏ van D1 và D4 dẫn, điện áp trên tải UAB bằng
điện áp U2 ở nửa chu kỳ đầu. Dòng điện có chiều từ A sang B.
Trong nửa chu kỳ tiếp theo, từ ∏ - 2∏ van D2 và D3 dẫn, điện áp trên tải UAB
bằng –U2. Dòng điện vẫn theo chiều thừ A sang B.
Trong cả hai nửa chu kì của điện áp dòng điện đều có chiều không đổi từ A
sang B, điện áp đầu ra AB luôn ở phần dương. Do đó có thể thấy dòng xoay chiều đã
được chỉnh lưu thành dòng một chiều.
Nếu tải thuần trở thì dạng dòng điện trên tải giống hệt dạng điện áp trên tải.
Biến áp
1 pha
Chỉnh lưu
cầu một pha Băm
xung áp Động cơ
Lưới
điện
Mạch bảo vệ Mạch bảo vệ
D3
D4 D2
D1
T1
50
Hz
V1
-110/110V
R1
15
A
U2

Hoá
Còn nếu tải cảm thì dòng điện sẽ bị san phẳng.
2. Băm xung áp một chiều theo nguyên tắc không đối xứng.
Q1Q4
D4 D1
D3D2
Q3Q2
L1
M1
16
E +
-
A
B
+
-
-
+

Hoá
Trong mạch băm xung áp một chiều này ta sử dụng các van điều khiển hoàn
toàn IGBT và các bóng bán dẫn Diode. Sơ đồ bố trí các van như hình vẽ.
Ở đây ta coi như xung điều khiển dương thì bóng sẽ dẫn, xung điều khiển âm
thì bóng sẽ bị khóa. Giả sử lúc đầu ta đưa xung điều khiển vào cực G của các bóng
IGBT như trên đồ thị. Tức là:
17
t
t
t
t
t
t
UG1
UG4
UG2
UG3
Ut
It

Hoá
• Từ 0-t1: van Q1 dẫn, van Q4 khóa
• Từ t1-TS: van Q1 khóa , van Q4 dẫn.
• Van Q2 luôn dẫn.
• Van Q3 luôn khóa.
Xét quá trình hoạt động của mạch băm xung áp:
Trong khoảng thời gian từ t0-t1: van Q1, Q2 dẫn và van Q4, Q3 khóa. Dòng điện
đi qua Q1, Q2 và có chiều từ A  B.
Trong khoảng thời gian từ t1-t2: van Q1, Q3 khóa và van Q4, Q2 dẫn. Tuy nhiên
dòng diện tải không đảo chiều vì lúc này năng lượng trong điện cảm L1 sẽ sinh ra để
duy trì dòng điện chạy theo chiều từ A  B. Dòng điện khép mạch qua van Q2 và
Diode D4.
Trong khoảng thời gian từ t2-TS: tại thời điểm t2 năng lượng trong cuộn dây kết
thúc, lúc này chỉ còn năng lượng là sức điện động của phần ứng của động cơ. Dòng
điện đảo chiều (chiều từ B  A) do sức điện động trong phần ứng của động cơ. Cuộn
cảm lại tiếp tục tích lũy năng lượng theo chiều ngược với chiều ban đầu.
Trong khoảng thời gian từ TS-t3: Van Q1, Q2 dẫn và van Q3, Q4 khóa.Tuy
nhiên dòng điện vẫn duy trì theo chiều như cũ (B  A) do năng lượng trong điện cảm
có tác dụng duy trì chiều dòng điện. Ta thấy lúc này tổng sức điện động cảm ứng trên
điện cảm và sức điện động trong phần ứng của động cơ lớn hơn E. Nên dòng điện sẽ
khép mạch qua diode D1, qua nguồn E và diode D2.
Ta nhận thấy trong khoảng thời gian từ t1 tới TS dòng điện qua tải đảo chiều, tuy
nhiên do quán tính cơ rất lớn so với quán tính điện nên động cơ không bị đảo chiều.
Từ đồ thị ta cũng nhận thấy điện áp trên tải trong khoảng thời gian này là bằng không,
bởi vì trong khoảng thời gian này thì Q4 và Q2 dẫn nên 2 đầu A và B luôn nối mát, do
đó điện áp UAB = 0. Đây là điểm khác biệt giữa phương pháp điều khiển không đối
xứng và đối xứng. Nó cho ta thấy khi điều khiển không đối xứng thì điện áp ra đối
xứng hơn khi điều khiển đối xứng vì nó không có phần âm. Do đó phương pháp điều
khiển này tốt hơn.
Từ đồ thị ta có dòng điện qua các van tương ứng với các khoảng thời gian đã
nêu ở trên là:
18

Hoá













×
−
=
×
−
=
×
−
=
×=
0
1
2,4
0
12
1,2
0
01
2,1
0
0
2,1
I
T
tT
I
I
T
tt
I
I
T
tt
I
I
T
t
I
S
S
DQ
S
DQ
S
QQ
S
DD
Điện áp ngược đặt lên các van là: Ung = E.
19

Hoá
CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN MẠCH LỰC VÀ MÁY
BIẾN ÁP.
I. TÍNH CHỌN MẠCH LỰC.
Để tính chọn được các diode và các bóng IGBT ta cần dựa vào hai tiêu chí đó là
dòng điện và điện áp. Vì vậy trước tiên ta cần xác định dòng điện trung bình chạy qua
các van trong một chu kì xét, và điện áp ngược lớn nhất đặt lên các van đó.
Xét dòng điện tính toán cho các van:
Từ nguyên tắc hoạt động của mạch băm xung áp đã trình bày ở trên ta có dòng
trung bình qua các van lần lượt là:













≤×
−
=
≤×
−
=
≤×
−
=
≤×=
00
1
2,4
00
12
1,2
00
01
2,1
00
0
2,1
II
T
tT
I
II
T
tt
I
II
T
tt
I
II
T
t
I
S
S
DQ
S
DQ
S
QQ
S
DD
Từ các biểu thức dòng điện trung bình qua các van ta thấy giá trị dòng trung
bình qua các van đều nhỏ hơn hoặc bằng I0. Vậy để tính chọn van ta lấy luôn giá trị I0
làm giá trị dòng điện tính toán cho các van.
Động cơ làm việc với công suất 1080 (W), đây là công suất nhỏ do đó ta lựa
chọn chế độ làm mát cưỡng bức cấp một (dùng quạt gió) nên hệ số làm mát là Ki = 2.
Vậy dòng điện tính toán dùng để chọn van là:
Ilv = Ki *0 I0 = 2 * 45 = 90 (A).
Xét điện áp tính toán cho các van:
Theo yêu cầu của đề bài điện áp phần ứng Uứ = 24 (V)  về sơ bộ (chưa tính
sụt áp trên các van) thì nguồn một chiều có E = 24(V). Vậy điện áp đặt lên các van là:
Ung = E = 24 (V).
20

Hoá
Chọn hệ số dự trữ điện áp là Kdt = 2. Điện áp tính toán dùng để chọn van là:
Unv = Kdt * Ung = 2 * 24 = 48 (V).
Vậy dòng điện và điện áp dùng để chọn van là:



=
=
)(800
)(12
VU
AI
nv
lv
Ta tiến hành lựa chọn cụ thể như sau:
a. Chọn diode công suất.
Ký hiệu Imax Un(V) Ipik(A) ∆U(V) Ith(A) Ir(mA) Tcp(0
C)
1N2427 100 100 950 1.1 50 2 175
Với:
• Imax: Dòng điện chỉnh lưu cực đại.
• Un: Điện áp ngược đặt lên diode.
• Ipik: Đỉnh xung dòng điện.
• ∆U: Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của diode.
• Ith: Dòng điện thử cực đại.
• Ir: Dòng điện rò ở 250
C.
• Tcp: Nhiệt độ làm việc cho phép.
b. Chọn van điều khiển
Với đặc tính làm việc của mạch băm xung áp, các van điều khiển cần có khả năng điều
khiển hoàn toàn (tức là điều khiển được cả quá trình đóng và mở bằng tín hiệu xung
điều khiển). Ta chọn van ở đây là các bóng IGBT với thông số như sau:
Ký hiệu Icmax (A) UCe
bão hòa(V)
Pcmax UCemax (V) UGemax UCemax (th) IGE (mA) toff (μs)
GA100NA60U 100 2.1 250 600 ±20 6 1 1
21

Hoá
Một số thông số khác:
• Điện áp cực đại khi đưa vào cực điều khiển là UGE = ±20 (V)
• Dòng điện đưa vào cực điều khiển IG = 1 (mA).
• Điện áp rơi thuận trên IGBT sau khi thông là 1.49 (V).
• Các thông số thời gian:
TYP MAX UNIT
ton 0.3 0.7 μs
toff 0.5 1 μs
tr 0.4 0.8 μs
tf 0.18 0.38 μs
II. TÍNH CHỌN DIODE CHO MẠCH CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU
KHIỂN.
Ta chọn mạch chỉnh lưu không điều khiển cầu một pha. Với các van đã chọn
trong mạch băm xung áp ta thấy điện áp sụt trên các van )(9.245.12 VUv =×=∆ (sut
ap khi dong qua 2 IGBT). Vậy để điện áp phần ứng của động cơ là 400 (V) thì điện áp
sau chỉnh lưu là:
Ud = 400+ 2.9 = 402.9(V)
Vậy



=
=
)(6
)(9.402
AI
VU
d
d
Dòng trung bình qua các diode là:
ID = Id / 2 = 6/2 =3 (A).
Chọn chế độ làm mát như trong mạch băm xung áp ta có:
Ilv = 2 * 3 = 6 (A)
22

Hoá
(Ở đây ta không cần xét đến chế độ khởi động của động cơ vì ta chỉ quan tâm
đến việc điều chỉnh tốc độ của động cơ).
• Xét điện áp tính toán cho van:
Ta có:
)(447
22
9.402
22
22
2
22
VU
UUUU dd
==→
=→=
π
π
π
Điện áp ngược đặt lên các van là: Ung = 22U = 632(V).
Chọn hệ số dự trữ điện áp là Ku = 2 ta có Unv = Ku.Ung = 2 * 632= 1264 (V)
Vậy các tham số cần thiết chọn diode là:



=
=
)(1264
)(6
VU
AI
nv
lv
Ta chọn chế độ làm mát cưỡng bức cấp một có quạt gió.
Chọn 4 diode công suất
Ký hiệu Imax (A) Un (V) Ipik (A) ∆U (V) In(mA) Tcp(0
C) Ith (A)
S5020PF 50 200 800 1 2 200 50
III. TÍNH CHỌN MÁY BIẾN ÁP.
Trong phần này ta sẽ thực hiện tính toán các thông số sau cho máy biến áp:
• Tính toán kích thước mạch từ.
• Tính toán dây quấn, số vòng và kích thước dây.
• Tính toán kích thước mạch từ.
• Tính chọn kích thước cửa sổ.
• Tính chọn kết cấu dây quấn.
23

Hoá
• Tính tổng sụt áp bên trong biến áp.
Để có thể tính chọn được máy biến áp trước tiên ta cần các đại lượng.
a) Điện áp chỉnh lưu không tải: Udo = Ud + ∆Uv + ∆Uba + ∆Udn.
Ở đó:
• Ud: Điện áp chỉnh lưu.
• ∆Uv = 2* 1= 2 (V) vì mỗi lần dòng điện đều đi qua 2 diode của mạch chỉnh
lưu.
• ∆Uba = ∆Ur + ∆U1 = 2.7 (V) (chọn bằng 10% Ud)
• Udn: sụt áp trên dây coi bằng 0.
6.40707.229.4020 =+++=dU (V).
b) Công suất tối đa của tải
Pdmax = Ud0 * Id = 407.6 * 6 = 2445.6 (W).
c) Công suất máy biến áp nguồn cấp.
Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển nên:
kS=1.23
Sba = kS * Pdmax = 1.23 * 2445.6 = 3008 (W).
1.Tính mạch từ.
Tiết diện trụ QFe của lõi máy biến áp là:
fm
S
kQ ba
QFe
.
.=
Với:
kQ: hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát, chọn kQ = 5 (làm mát bằng dầu).
số pha m = 1
tần số lưới điện.f = 50 (hz)
Vậy
24

Hoá
→=
×
= )(78.38
501
3008
.5 2
cmQFe đường kính trụ )(1.7
78.384.4
cm
Q
d Fe
=
×
==
ππ
2. Tính toán dây quấn_số vòng và kích thước dây.
Điện áp cuộn dây thứ cấp:
)(452
9.0
6.407
2
0
2 VU
k
U
U
u
d
=⇒==
Điện áp cuộn dây sơ cấp
Điện áp này bằng điện áp nguồn cấp. Do biến áp một pha nên điện áp sơ cấp là điện áp
pha
)(32.73
3
127
1 VU ==→
Dòng điện của các cuộn dây:
Sơ cấp:
)(3.52
3
127
6.244557.1.
1
max1
1
1
1 A
U
Pk
U
S
I dsba
=
×
===
Thứ cấp: )(60
5.63
6.244557.1.
2
max2
2
2
2 A
U
Pk
U
S
I dsba
=
×
===
Số vòng của mỗi cuộn dây:
Số vôn trên vòng:
4.44 * f * Qfe * B * 10-4
= 4.44 * 50 * 29.6* 1.5 * 10-4
= 1 (V)




=÷=
=÷=
)(4521
)(32.731
22
11
vongUW
vongUW
Tiết diện dây quấn (kích thước dây)
J
I
SCu =
Với I: cường độ dòng qua các dây
J là mật độ dòng điện trong các dây. Chọn J= 25 (A/mm2
).
25

Hoá
Ta có SCu1 = SCu2 = )(14
5.2
35 22
mm
J
I
==
 D1 = D2 = 4.22 (mm)
Vậy ta chọn dây đồng có các thông số:
Đường kính thực của lõi : d = 4.1 (mm)
Tiết diện lõi đồng : SCu = 13.2 (mm2
)
Trọng lượng riêng / mét : mCu = 117 (g/m)
Điện trở / mét : R/m = 0.00123 (Ω/m)
Đường kính ngoài có cách
điện
: dn =4.43 (mm)
3. Tính toán kích thước mạch từ
Do P = 1749 (W) < 10 (kW) nên chọn mạch từ là trụ chữ nhật có tiết diện:
QFe=a × b với a là bề rộng trụ và b là bề dầy trụ.
Chọn lá thép có độ dày 0.35 (mm).
Diện tích cửa sổ cần thiết kế:
)(11.170)(5.17011
)2.134522.135.63(5.2)..(
22
221121
cmmmQ
SWSWkQQQ
cs
CuCulđcscscs
≈=→
×+××=+=×=
4. Tính toán kích thước cửa sổ.
Chọn các hệ số phụ
26

Hoá







==×
=
=
=
5.32
1
5.0
5.2
csQhc
l
n
m



=+=
=+=
⇒







=
=
=
=
⇒





=
=
=
⇒
)(232
)(4.1522
)(1.5
)(1.5
)(8.12
)(6.2
1/
5.0/
5.2/
cmahH
cmacC
cmb
cma
cmh
cmc
ab
ac
ah
5. Kết cấu, dây quấn.
Dây quấn được bố trí theo chiều dọc trụ với mỗi cuộn dây được quấn thành
nhiều lớp dây, mỗi lớp dây quấn liên tục các vòng dây sát nhau. Các lớp dây cách điện
bằng các bìa cách điện.
Số vòng dây trên mỗi lớp:
)(27
1043.4
1043.428.12
1
1
vong
d
hh
W
n
g
vd =
×
××−
=
−
= −
−
Với:
b
H
h
a
c
C
27

Hoá
hg: là khoảng cách cách điện với gông, chọn hg = 2 * dn.
dn: đường kính dây quấn kể cả cách điện
h: chiều cao cửa sổ.
Số lớp dây trong mỗi cửa sổ.







===
===
)(16
27
452
)(4.2
27
5.63
2
2
1
1
lop
W
W
S
lop
W
W
S
vd
ld
vd
ld
Goi cdt là bề dày bìa cách điện trong cùng, còn cdn là bề dày cách điện ngoài
cùng, ta chọn là 0.3 (mm).
Bề dày mỗi cuộn dây:
Bdi = d * Sid + cd * Sid. Ta chọn cd = 0.1(mm) vì biến áp công suất nhỏ.
Sơ cấp:
Bd1 = 4.1 * 2.4 + 0.1 * 2.4  Bd1 = 10 (mm).
Thứ cấp:
Bd2 = 4.1 * 1.3 + 0.1 * 1.3  Bd2 =5.5 (mm).
Tổng bề dày các cuộn dây:
Bd = Bd1 + Bd2 + cdt + cdn  Bd = 10+5.5+2 * 0.3  Bd = 16.1 (mm).
Kiểm tra kết quả tính toán:
Bd = 1.61(cm) < c = 3.15 (cm).
∆c = c – Bd = 3.15 – 1.61 = 1.89 thuộc vào khoảng [0.5 ÷ 2] (cm).
Như vậy tính toán là hoàn toàn hợp lí.
6. Tính tổng sụt áp trong máy biến áp.
Điện áp rơi trên điện trở:
28

Hoá
{
)(9.045))
5.63
35
(021.0014.0(
)(014.0
102.14
101078
100172.0.
)(021.0
102.13
101575
100172.0.
)(25].).([
2
4
1
3
2
2
2
4
1
3
1
1
1
2
1
2
12
VU
S
l
R
S
l
R
AII
W
W
RRU
r
Cu
Cu
ddr
=××+=∆→
Ω≈
×
×
××==
Ω≈
×
×
××==
=+=∆
−
−
−
−
−
−
ρ
ρ
Điện áp rơi trên điện kháng:
π
d
fX
I
XmU ..=∆
Lại có: 72122
10.].
3
)[.(.8 −+
+= ωπ ddbk
n
BB
cd
h
R
WX
Chọn cd = 0.3 (mm) vì biến áp có dòng tương đối nhỏ.
 Xn = 0.0004(Ω)  L = (Xn/ω) = (Xn/2πf) = 1.3 * 10-6
(H)
 XU∆ = 1 * 0.0004 * 45/π = 0.0057 (V).
Điện trở ngắn mạch máy biến áp:
Rnm = R2 + (
1
2
W
W
) 2
*R1 = 0.014 + )(02.0021.0)
5.63
35
( 2
Ω=×
Tổng trở ngắn mạch máy biến áp:
Znm = )(02.0
22
Ω=+ nmnm XR
Điện áp ngắn mạch % của máy biến áp:
Unm % = %6.12100
35
02.045
100
.
2
=×
×
=×
đm
nmđm
U
ZI
Dòng điện ngắn mạch máy biến áp:
Inm = )(1750
02.0
3535
A
Znm
==
Lưu ý: Các tính toán đã thể hiện ở trên chỉ mang tính lý thuyết, nó không
có ý nghĩa thực tế một cách hoàn toàn.
Vậy các thông số của máy biến áp được tính như sau:
29

Hoá
• Điện áp sơ cấp: U1 = UN = 452 (V).
• Điện áp thứ cấp: U2 = 63.5 (V).
• Số vòng dây bên sơ cấp: 64 (vòng).
• Số vòng dây bên thứ cấp: 35 (vòng).
• Dây đồng tròn có đường kính d = 4.1 (mm); dn = 4.43 (mm).
• Cửa sổ có chiều cao h = 12.8 (cm) và chiều rộng c = 2.6 (cm).
• Bề dày máy biến áp: b = 5.1 (cm).
• Khoảng cách giữa các cửa sổ: a = 5.1 (cm).
IV. TÍNH TOÁN BỘ LỌC
Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu sẽ làm cho dòng điện tải cũng đập mạch
theo, làm xấu đi chất lượng dòng điện một chiều, nếu tải là động cơ điện một chiều sẽ
làm xấu quá trình chuyển mạch cổ góp của động cơ, làm tăng phát nóng của tải do
các thành phần sóng hài.
Yêu cầu về hệ số đập mạch cho ta biết có cần bộ lọc một chiều hay không. Khi
so sánh hệ số đập mạch cần có với hệ số đập mạch của bộ chỉnh lưu ta nhận thấy: Bộ
chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển dùng các diode có hệ số đập mạch theo tính
toán là 0.67.
Nhưng theo lựa chọn đã đưa ra trong phần "Chọn sơ đồ mạch lực" thì tốc độ
của động cơ chỉ được phép thay đổi 6.7%. Hay nói cách khác hệ số đập mạch của
điện áp đầu vào băm xung chỉ là 0.067. Do đó hệ số đập mạch sau sơ đồ chỉnh lưu
chưa thoả mãn yêu cầu đặt ra với điện áp cung cấp cho động cơ. Vậy chúng ta nhất
thiết cần có bộ lọc một chiều. Trong trường hơp này ta dùng bộ lọc LC (lọc cả dòng
lẫn áp) như sau:
U v a o U r aC
L
30

Hoá
1. Tính toán chung.
Mục đích của việc tính toán bộ lọc là xác định các trị số cần thiết của điện cảm
lọc và tụ điện lọc sao cho thoả mãn hệ số đập mạch mong muốn đồng thời hiệu chỉnh
để có kích thước của bộ lọc vừa phải. Trong thực tế tụ điện được chế tạo với các trị số
qui chuẩn và chỉ cần chọn trị số phù hợp, còn điện cảm lọc phải tự thiết kế vì không
có chế tạo chuẩn.
Chọn hệ số đập mạch mong muốn là kđmr = 0.067.
Hệ số san bằng để đánh giá hiệu quả của bộ lọc:
ksb = (kđmv/kđmr) = (0.67/0.067) = 10
Tải điện trở tương đương tính một cách sơ bộ theo công thức sau:
)(15.67
6
9.402
Ω===
d
d
d
I
U
R
Trị số điện cảm L thường được chọn theo biểu thức sau:
L>Lmin = )(3.1)(10*3.1
)1(
2 3
2
1
mHH
mfm
R
dmdm
d
==
−
−
π
 ta chọn L = 5(mH).
Các tham số LC lại có quan hệ sau:
L.C = )(5.5
4
)110(10)1(10
2
FC
m
k
dm
sb
µ=→
+
=
+
Chọn



=
=
)(5.5
)(5
FC
mHL
µ
2. Tính toán thiết kế cuộn kháng lọc một chiều.
Cuộn kháng một chiều có một số đặc điểm sau:
• Dòng qua cuộn kháng một chiều có hai thành phần: một chiều và xoay chiều.
Thường thì thành phần một chiều có giá trị lớn nên làm điểm làm việc của lõi
thép bị đẩy lên gần vùng bão hoà. Còn thành phần xoay chiều có giá trị nhỏ
hơn nhiều do đó cường độ dòng điện từ nhỏ nên tổn thất trong thép không lớn.
31

Hoá
• Để giữ trị số L ổn địnhkhi dòng tải thay đổi, cần tránh lõi thép bị bão hoà, vì
vậy lõi thép phải có khe hở không khí(miếng đệm không khí nhiễm từ).
• Tần số thành phần xoay chiều (bậc cơ bản) của dòng điện tải thường không
phải là 50(Hz) mà là bội của tần số lưới (100, 150, …)
• Loại thép kĩ thuật hay được dùng là loại thép cán nguội. Kết cấu thường có
dạng chữ E hay chữ O. Ở đây ta chọn kết cấu chữ E. Các kích thước của nó có
mối quan hệ như sau:
Như đã nói ở trên các cuộn kháng không được chế tạo thành các qui chuẩn như
tụ điện. Do đó ta cần tính toán thiết kế riêng cho cuộn kháng lọc này. Các thông số cần
biết để thực hiện tính toán là:
• Giá trị điện cảm lọc L = 5(mH).
• Dòng điện một chiều trung bình qua cuộn cảm, thường chính là dòng điện tải
định mức Id = 45(A).
• Sụt áp một chiều tối đa cho phép trên cuộn kháng lọc =∆ =U 2(V).
• Sụt áp xoay chiều tối đa cho phép trên cuộn kháng ≈∆U =6(V).
• Tần số đập mạch của sóng hài cơ bản bậc một f1 = 100(hz).
• Nhiệt độ môi trường nơi đặt cuộn kháng: Tmt = 40(o
C).
• Chênh lệch nhiệt độ tối đa cho phép giữa cuộn dây điện cảm và môi trường
CT 0
50=∆
1. Tính kích thước lõi thép.
Kích thước cơ sở: a = 2.6 )(69.16*10*56.2. 4 234 2
cmIL d == −
H
a/2 a/2a
b
c
32

Hoá
Ta có





==
==
==
⇒





÷=
÷=
÷=
)(07.569.1*3
)(35.169.1*8.0
)(02.269.1*2.1
)32(
)8.06.0(
)5.11(
cmh
cmc
cmb
chon
ah
ac
ab
Tiết diện lõi thép: Sth = a.b = 3.41(cm2
)
Diện tích cửa sổ: Scs = h.c = 6.84(cm2
)
Độ dài trung bình đường sức: lth = 2(a+h+c) = 16.22(cm)
Độ dài trung bình dây quấn: ldq = 2(a+b) + c.π = 11.66(cm)
Thể tích lõi thép: Vth = 2ab(a+h+c) = 55.37(cm3
)
2. Tính điện trở dây quấn ở nhiệt độ 20o
C đảm bảo sụt áp cho phép.
r20 = )(226.0
)205040(10*26.41
6
2
)20(10*26.41 303
Ω=
−++
=
−∆++
∆
−−
=
CTT
I
U
mt
d
3. Số vòng dây của cuộn cảm.
w = 414. )(114
.20
vong
l
Sr
dq
cs
=
4. Tính mật độ từ trường.
H = )/(7065
22.16
1146*100..100
mA
l
Iw
th
d
==
5. Tính cường độ từ cảm
B = )(347.0
41.3*100*114*44.4
10.6
***44.4
10* 44
T
Sfw
U
thdm
==
∆ ≈
6. Tính hệ số µ theo H và B
Do B>0.005(T) → )/(10*8.6710.)
1000
(542 6675.0
mH
H −−
==µ
33

Hoá
7. Trị số điện cảm nhận được.
Ltt = )(52.18
22.16*100
41.3*114*8.67
.100
22
mH
l
Sw
th
th
==
µ
8. Tiết diện dây quấn.
S = 0.072 )(59.1
226.0
84.6*22.16
072.0 2
20
mm
r
Sl csdq
==
Vậy ta chọn dây đồng như sau:









=
Ω=
=
=
=
)(53.5
)/(000811.0/
)/(189
)(24.21
)(2.5
2
mmd
mmR
mgm
mmS
cmd
n
Cu
Cu
9. Xác định khe hở tối ưu.
lkk = 1.6*10-3
.w.Id = 1.6*10-3
.114.6=1.09(mm)
 miếng đệm có độ dầy: lđệm = 0.5 * lkk = 0.545(mm).
10. Tính toán kích thước cuộn dây.
+) Chọn lõi cuộn dây có độ dầy 5(mm)  độ cao sử dụng để cuốn dây là:
hsd = h – 2* )(07.45.0*207.5 cmc =−=∆
+) Số vòng dây trong một lớp:
w’ = (hsd/dn) = 4.07/(5.53*10-1
) = 7.35
 một lớp cuốn dây có 8(vòng).
+) Số lớp dây.
n = w/w’ = 114/7.35 = 15.5  cần quấn 7 lớp.
+) Độ dày cả cuộn dây.
)(571.4)1.0553.0(7)( cmdncd cdn =+=∆+=∆
11. Do c = 1.35(cm) nên với độ dày của cả cuộn dây như đã tính toán ở trên thì
chúng tỏ cuộn dây lọt trong cửa sổ.
34

Hoá
12.Kiểm tra chênh lệch nhiệt độ.
+) Tổn thất đồng trong dây quấn:
PCu = )(6.84
)2040(10*26.41
6*2*02.1
)20(10*26.41
**02.1
33
W
T
IU
mt
d
=
−+
=
−+
∆
−−
+) Tổng diện tích bề mặt cuộn dây:
SCu = 2.hsd.(a+b+ )(882)2.(*4.1). 2
cmacdcdcd =+∆∆+∆ ππ )
+)Hệ số phát nhiệt α :
α
=1.03*10-3
)
.
(10*46.0
8.18
5
10*03.1
5
20
363
6
cmC
W
hsd
−−
==
 độ chênh lệch nhiệt độ: C
S
P
T
Cu
Cu 0
3
310
330.10*46.0
47
.
==≈∆ −
α
Với giá trị tính toán thế này thì ta sẽ sử dụng biện pháp làm mát cưỡng bức cho
bộ lọc để nhiệt độ làm việc của nó nằm trong giới hạn cho phép.
35

Hoá
CHƯƠNG IV: CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ MẠCH
LỰC VÀ CÁC VAN BÁN DẪN
I. SƠ ĐỒ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ BẢO VỆ
Do các phần tử kém khả năng chịu đựng các biến động mạnh về điện áp và
dòng điện chính là các van bán dẫn nên việc bảo vệ mạch lực chủ yếu là bảo vệ các
van bán dẫn khỏi hai trạng thái: quá dòng và quá áp.
Do trong mạch lực trước bộ phận chỉnh lưu ta đã có máy biến áp lực nên lượng
điện cảm trong máy biến áp này đã có tác dụng như một điện cảm bảo vệ và ngăn
chặn sự tăng dòng quá nhanh trong các van bán dẫn. Vì vậy vấn đề quá dòng không
cần xét đến nữa.
Trên thực tế quá áp gây hỏng van có hai dạng đó là: quá áp về biên độ vượt trị
số cho phép của van và quá tốc độ tăng áp thuận đặt lên van. Vậy để bảo vệ các van
bán dẫn thì ta sử dụng mạch lực như sau:
36

Hoá
C1
D15 D16
D17 D18
Q1
Q4
D19 D20
D22D21
Q3Q2
L1
M1
C2 C3
C4 C5
C6 C7
C8 C9
50
Hz
V25
-110/110V
T5
R1
R2 R3
R4 R5
R6
R8 R9
37

Hoá
Các phần tử bảo vệ được bố trí như trên có tác dụng bảo vệ mạch lực tránh
xung điện áp từ lưới với hai phần tử R1 và C1. Còn R2, C2 và các cụm RC còn lại
trong mạch được mắc song song các van như hình vẽ trên dùng để bảo vệ quá áp.
Các diode từ D19 đến D22 có tác dụng bảo vệ các van khi có điện áp ngược đặt
lên van.
Việc tính toán các phần tử này nhìn chung khá phức tạp nên ta thực hiện theo
phương pháp kinh nghiệm. Và có một số điểm cần lưu ý với phương pháp kinh
nghiệm như sau:
• R2 thường nằm trong khoảng vài chục đến 100 (Ω)
• C2 thường nằm trong khoảng 0.1 ÷ 2 (μF).
• Dòng điện lớn thì chọn điện trở nhỏ và tụ lớn, ngược lại nếu dòng điện nhỏ thì
chọn tụ nhỏ và trở lớn.
Ở đây, do I0 = 45 (A) nên dòng nhỏ do đó ta chọn như sau:



=
Ω=
)(5.0
)(100
2
2
FC
R
µ
Sau khi chọn ta cần xác định lại hai đại lượng sau: dòng phóng qua tụ lớn nhất và tốc
độ tăng áp thuận.
• Dòng điện phóng qua tụ lớn nhất:
)(029.4
100
9.402max
max A
R
U
Ic === với 40 là giá trị điện áp sau chỉnh lưu  thỏa mãn
giá trị cho phép.
• Tốc độ tăng điện áp thuận cho phép:
)(19
6
24
.
103.1
9.402
. 6
max
s
VR
L
U
dt
dU
t µ
=
×
== − với L là lượng điện cảm đã được tính toán
trong phần tính toán máy biến áp. Còn Rt = (Ut/It) = 24/6 = 4(Ω)
38

Hoá
Tốc độ trên so với giá trị tốc độ tăng áp cho phép của van ở cấp 2 là 50 )(
s
V
µ
là nhỏ hơn nên ta có thể thấy việc tính chọn các phần tử bảo vệ là hoàn toàn đáp ứng
được các yêu cầu.
Vậy



========
Ω========
)(5.0
)(100
98765432
98765432
FCCCCCCCC
RRRRRRRR
µ
II. XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT CỦA ĐIỆN TRỞ.
Phát nhiệt trên điện trở chủ yếu do quá trình chuyển mạch gây nên và tính gần
đúng theo biểu thức sau:
PR = fV.C.UVmax
2
.
Với diode trên mạch chỉnh lưu ta có fV = 50 (Hz) nên
PR = 50 * 0.5*10-6
* 42.42
= 0.045 (W).
Với IGBT thì fv chọn là 2 (kHz) nên
PR = 2 * 103
* 0.5 * 10-6
* 42.42
= 1.8 (W).
Vậy ta chọn điện trở công suất 6 W và có giá trị là 100 (Ω)(Điện trở bảo vệ của
phần trên).
III. TÍNH TOÁN APTOMÁT BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN
Để bảo vệ được các van ta phải chọn loại Aptomat có độ tác động nhanh do đó
ta dùng Aptomat một chiều và đặt nó ở đầu ra chỉnh lưu.
Tính toán:
Aptomat phải có các giá trị định mức thỏa mãn những điều kiện sau:
39

Hoá




≥
≥
⇒




≥
≥
)(6
)(127
)(
)(
AI
VU
AII
VUU
Ap
đm
Ap
đm
tai
đm
Ap
đm
Luoi
đm
Ap
đm
Vậy ta chọn Aptomát một chiều với các thông số định mức cụ thể như sau:



=
=
)(50
)(120
AI
VU
đm
đm
40

Hoá
CHƯƠNG V:THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
I,Các khối cơ bản của mạch điều khiển
1. Mạch tạo dao động:
Để tạo được xung vuông với tần sỗ 400Hz ta sử dụng vi mạch tạo dao động
Timer555 với các thông số cho như trên:
Sơ đồ thay thế của vi mạch như sau:
Q :Trạng thái (mức logic)dầu ra tại thời điểm t,là đầu
ra đảo của FF trong vi mạch
Nguyên lý hoạt động:
Khi Q =1 thì Transistor dẫn bão hoà ,tụ dẫn điện
qua Transistor nên điện áp trên tụ Uc giảm
Khi tụ Uc giảm tới Uc= ε−Vcc
3
1
thì Q =0.
41
+12V
1 Gnd
2 Trg
3 Out
4 Rst 5Ctl
6Thr
7Dis
8Vcc
555
+
CT
.067uF
+
C1
.01uF
RA
52k
RB
0.4k
R1
2k
Bộ tạo dao động Timer555
Vc
c
R1
R2
C
Q
6,2

Hoá
Khi Uc tăng tới Uc= ε+Vcc
3
2
thì
Q =1 Transistor lại dẫn bão hoà.
Khoảng thời gian t1 phụ thuộc
vào τnạp,với τnạp=(R1+R2)C
Khoảng thời gian t2 phụ thuộc
vào τphóng ,với τphóng=R2C
Qua tính toán ta được
t1=(R1+R2)Cln2
t2= R2Cln2
Chọn C=0,067µF;R2=0,4kΩ ⇒R1=52kΩ;ta sẽ được tần số dao động của Timer
là f=400Hz
2. Mạch tạo xung răng cưa:
Ta sử dụng mạch như sau:
Với các thông số được chọn như sau:
42
U
t1
t2
T
t
t
Biểu đồ dạng sóng của Timer555 ở
chế độ đa hài phiếm định
Bộ tạo xung răng cưa
ZY18
+V
15V
PNP
1k
0.6k
C2
0.8uF
Q1
MSD601-ST1
T1
T2

Hoá
Transistor: Chọn loại NPN:MSD601_ST1
Diod Zener DZ: Chọn loại ZY18; Zener Silic ; Uz=18V;P=2W
Trong sơ đồ này thì T1 ,Dz R tạo ra nguồn dòng và nguồn dòng này được nạp
cho tụ
I=
R
Uz
β
Trong đó:
Uz:Điện áp ổn định của Diod Zener Dz.
β:Hệ số khuyếch đại của Transistor T1.
-Khi T2 bị khoá (Không có điện áp đặt vào cực gốc):Tụ C được nạp điện
Uc= const
CR
Uz
AtAt
CR
Uz
Idt
C
t
====∫ .;..
1
0
ββ
điện áp đồng bộ răng cưa tuyến tính với thời gian
-Khi T2 thông (Có điện áp đặt vào cực gốc):Lúc này tụ C phóng điện qua T2 nên
Uc nhanh chóng giảm về 0 (Coi R≅0)
3. Khâu khuyếch đại :
Sử dụng khuyếch thuật toán không đảo TL084 với sơ đồ như sau:
43
+V
15V
+
TL084
+V-15V
R1
R2
Uvµo Ura
Bộ khuếch đại

Hoá
Với khuyếch thuật toán trên ta dễ dàng tính được hệ số khuyếch đại của mạch
K=
2
21
R
RR +
Thay đổi các thông số R1 và R2 của mạch ta sẽ có tương ứng với 1 điện áp đầu
vào sẽ có một điện áp đầu ra có độ lớn gấp K (tuỳ ý)lần điện áp đầu vào .
4. Khâu so sánh :
Ta sử dụng vi mạch LMC6762A/NS với sơ đồ như sau:
Mạch so sánh là mạch báo hiệu sự bằng nhau giữa điện áp cần so sánh Uv và
điện áp chuẩn Uref .
Đầu ra của mạch so sánh là mức logic cao hoặc thấp (điện áp ra dạng xung
vuông có độ lớn phụ thuộc vào điện áp bão hoà của vi mạch so sánh và có độ rỗng
xung phụ thuộc vào điện áp chuẩn),
44
+V
-10V
+V
10V
Rvar
+V-15V
+V
15V
LMC6762A/NSUrc
Ura

Hoá
-Khi Uv>Uref thì Ur=Ubh ≈ Vcc
-Khi Uv<Uref thì Ur=-Ubh ≈ -Vcc
5. Mạch phản hồi dương dòng điện và phản hồi âm tốc độ :
-Để phản hồi dương dòng điện: Ta dùng Sensor dòng S1 để nhận biết dòng điện
phần ứng của động cơ ,sau đó cho qua bộ khuyếch đại với hệ số K .Mạch sẽ phản hồi
dương dòng điện về bộ điều chỉnh dòng điện R(I).
- Để phản hồi âm tốc độ: Ta sử dụng máy phát tốc nối cùng trục với trục động cơ
,điện áp đầu ra của máy phát tốc tỷ lệ với tốc độ theo biểu thức sau:U=γ.ω và được
phản hồi trở lại vào bộ điều chỉnh tốc độ.
+ Khi dùng mạch phản hồi âm tốc độ để giảm sai số tốc độ ,tức là làm tăng độ
cứng của đặc tính cơ như vậy sẽ làm tăng giá trị của dòng điện ngắn mạch và momen
ngắn mạch , gây nguy hiểm cho động cơ khi bị quá tải và gây hỏng hóc cho các bộ
phận truyển lực .
+ Để giải quyết mâu thuẫn giữa yêu cầu về ổn định tốc độ và yêu cầu về hạn chế
dòng điện người ta thường dùng phương pháp phân vùng tác dụng .Trong vùng biến
thiên cho phép của mômen và dòng điện phần ứng đặc tính cơ cần có độ cứng thích
hợp để đảm bảo sai số là nhỏ.
45
Uv
+
-
+Vcc
-Vcc
Ur
Uref
+Ubh
Uv
Ur
+Ubh
-Ubh
Uref

Hoá
+ Khi dòng điện và momen quá phạm vi cho phép này thì ta phải giảm mạnh độ
cứng cơ của đặc tính cơ để hạn chế dòng điện .
+ Mặt khác ,trong quá trình khởi động ,hãm ,điều chỉnh tốc độ động cơ thường
có yêu cầu giữ cho gia tốc không đổi để đạt được tối ưu về thời gian quá độ cần có
đoạn đặc tính cơ có độ cứng bằng không.
+ Như vậy các mạch vòng điều chỉnh được nối theo cấp độc lập với nhau ,việc
phân vùng tác dụng giữa ổn định tốc độ và hạn chế dòng điện .
+ Điện áp đầu ra của bộ R(ω) là điện áp đặt dòng điện phần ứng Ui đặt .
+ Bộ điều chỉnh dòng R(I) có nhiệm vụ duy trì dòng phần ứng luôn bằng giá trị
Ui đặt.
6. Một số mạch phụ trợ khác:
a. Mạch lặp : Sử dụng khuyếch thuật toán không đảo TL084 với sơ đồ như sau:
Có chức năng cách ly về điện đối với Transistor nhằm bảo vệ Transistor.
b. Vi mạch NAND: Sử dụng vi mạch 4093 họ CMOS.
46
+V
15V
+
TL084
+V-15V
R10
.5k
Mạch lặp

Hoá
Đây là mạch Và đảo ,đầu ra của mạch có mức logic cao nếu mọi đầu vào của
mạch đều có mức logic cao
c. Trigơ loại JK:
Có 2 đầu vào, 2 đầu ra .
Như vậy ta có sơ đồ cấu trúc của mạch điều khiển ở trang bên:
47
S
J
CP
K
R
Q
_
Q
Trig¬ JK

Đồ án môn học Điện Tử Công Suất Mai Sỹ Hùng - CH9 - Tự Động Hoá
••
id
• •
•••
•
•
•
• •
•
•
•
•
•
SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN
E
D1
D4
T1
T4
ud
US
C
D2
D3
T
2
T3
S
S
RC
S
S
D §
K
&
T1
T4
T2
T3
&
R(ω) R(I)
D
T
N
SJ
CP
K R
Q_Q T3
T4
NPN
NPN
1RTr
2RTr
1RTr
2RTr
+ VCC
(-)
(+)
FT
48

Đồ án môn học Điện Tử Công Suất Mai Sỹ Hùng - CH9 - Tự Động Hoá
49

II. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển
- Sensor dòng S2 được gắn để đo dòng của máy phát tốc cho ta tín hiệu dòng
điện tỷ lệ với tốc độ động cơ ,khi động cơ có tốc độ nhỏ thì S2 có tín hiệu ra là tín
hiệu D .
- Ban đầu khi mở máy ,người vận hành đặt tốc độ cho động cơ là Uωđ, sau đó
ấn nút mở máy T, khi đó đầu vào J=1 nên đầu ra thuận T=1 làm cho Rơle trung gian
1RTr tác động-> tiếp điểm thường mở 1RTr đóng vào làm cho điện ápđiều khiển Uđk
được đưa vào bộ so sánh là ±15V .Lúc đó khi U=15V thì T1 thông ,T4 khoá và khi
U=-15V thì T1 khoá T4 thông ,như vậy T3 luôn thông T1 và T4 thay nhau thông nên
động cơ được đặt điện áp thuận và quay thuận .
- Khi muốn điều chỉnh tốc độ động cơ ,người vận hành thay đổi lại Uωđ bằng
cách điều chỉnh lại giá trị của Uđk tức là làm
T
td
=ε thay đổi nên U= NUε thay đổi
theo, điều chỉnh ε trơn được thì ta sẽ có một dải tốc độ trơn.
- Khi muốn động cơ quay ngược (đảo chiều chuyển động): Lúc này người vận
hành ấn nút mở máy ngược N,tuy nhiên vì tốc độ của động cơ đang lớn nên Sensor
dòng S2 chưa có giá trị tín hiệu điện áp D nên đầu vào R không có tín hiệu .Khi đó
người vận hành cần phải giảm tốc độ của động cơ (Chúng ta có thể kết hợp với hệ
thống phanh cơ khí) ,khi tốc độ của động cơ giảm đến một ngưỡng nào đó thì chúng ta
sẽ có được tín hiệu D,lúc này ta mới có thể ấn nút N để nhận được tín hiệu K=1 đặt
vào Flip-flop làm N=1,T=0,bộ so sánh thuận được tách ra đồng thời bộ so sánh
ngược được đưa vào ,lúc này T2 và T3 thay nhau dẫn còn T4 luôn thông .
- Khi tốc độ động cơ giảm dần ,động cơ được hãm ngược. Khi tốc độ của động
cơ giảm tới giá trị không thì động cơ được khởi động ngược và bắt đầu quay ngược.

Đồ án môn học Điện Tử Công Suất Mai Sü Hïng - CH9 - Tù §éng Ho¸
THỐNG KÊ CÁC LINH KIỆN DÙNG CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN.
TÊN LINH KIỆN SỐ LƯỢNG
IC M54HC32 1
Biến áp Xung 4
IC LM337 2
IC LM324 1
Diode KYZ70 9
IC LM318S8 4
BC108 (Tranzistor) 6
BC546 (Tranzistor) 1
IC M54HC08 3
Diode SW01PCN020 3
51

CHƯƠNG VII: MÔ PHỎNG.
Trong phần này ta sẽ tiến hành mô phỏng mạch điều khiển bằng chương trình
Circuit Maker, và mạch lực bằng chương trình MatLab.
I. MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN.
• Tín hiệu sau máy phát xung:
1.500ms 1.600ms 1.700ms 1.800ms 1.900ms 2.000ms 2.100ms 2.200ms 2.300ms 2.400ms
15.00 V
10.00 V
5.000 V
0.000 V
-5.000 V
-10.00 V
-15.00 V
A: u2_6
Từ hình vẽ ta thấy sau máy phát xung, ta có được tín hiệu điện áp với chu kì là
2 kHz, và thời gian nạp của tụ là 5(μs), thời gian phóng là 0.495(ms). Sau khâu cắt
xung âm tín hiệu điện áp có dạng:
1.500ms 1.600ms 1.700ms 1.800ms 1.900ms 2.000ms 2.100ms 2.200ms 2.300ms
7.000 V
5.000 V
3.000 V
1.000 V
-1.000 V
A: d4_k
Ta nhận thấy biên độ của xung giảm, đó là do sụt áp trên điện trở và diode gây
nên. Vẫn còn một phần xung âm đó là do điện áp rơi thuận trên diode là 0.7(V)
Tín hiệu sau khâu tạo xung răng cưa:
Đồ thị cho thấy xung dạng răng cưa với chu kì là 2kHz.
52

1.500ms 2.000ms 2.500ms 3.000ms 3.500ms 4.000ms 4.500ms 5.000ms
9.000 V
7.000 V
5.000 V
3.000 V
1.000 V
-1.000 V
A: t1_1
• Tín hiệu điện áp sau khâu so sánh.
A: u3b_7 15.00 V
-15.00 V
B: u3c_8 15.00 V
-15.00 V
Sau khâu so sánh tín hiệu điện áp của ta sẽ được phân thành 2 kênh. Sau phần
cắt xung âm nó có dạng như sau:
A: v2c_8 17.50 V
-2.500 V
B: v2a_1 17.50 V
-2.500 V
53

• Tín hiệu sau khâu phát xung chùm và sau khi được cắt phần âm:
A: u2d2_6 15.00 V
-15.00 V
B: v3c_8 17.50 V
-2.500 V
Đồ thị cho thấy xung chùm được phát ra có tần số là 20kHz
• Tín hiệu điện áp sau khi qua bộ phận logic số để phân thành 4 kênh tín hiệu
điều khiển lần lượt cho các van T1, T4, T2, T3 như sau:
Khi khóa K ở mức cao:
Trước khi trộn xung:
A: h1d_11 5.000 V
0.000 V
B: h1a_3 5.000 V
0.000 V
C: h1c_10 5.0003 V
4.9999 V
D: h1b_4 15.00uV
0.000uV
Sau khi trộn xung:
54

A: v16b_4 5.000 V
0.000 V
B: v3d_11 5.000 V
0.000 V
C: v3c_10 5.000 V
0.000 V
D: v16a_3 9.250nV
7.750nV
Và tín hiệu điều khiển đưa vào các bóng bán dẫn T1, T4, T2, T3 lần lượt như
sau (Tín hiệu ra sau biến áp xung và khâu tạo xung âm):
A: d18_k 10.00 V
-5.000 V
B: d15_k 10.00 V
-5.000 V
C: r34_2 9.000 V
-1.000 V
D: d16_k 1.000 V
-5.000 V
Đồ thị cho thấy ta đã tạo được xung âm để khoá bóng. Và giá trị của xung âm là
-5(V).
Khi khóa K ở mức thấp:
Trước khi trộn xung:
A: h1d_11 15.00uV
0.000uV
B: h1a_3 5.0003 V
4.9999 V
C: h1c_10 5.000 V
0.000 V
D: h1b_4 5.000 V
0.000 V
55

Sau khi trộn xung:
A: v16b_4 9.250nV
7.750nV
B: v3d_11 5.000 V
0.000 V
C: v3c_10 5.000 V
0.000 V
D: v16a_3 5.000 V
0.000 V
Và tín hiệu điều khiển đưa vào các bóng bán dẫn T1, T4, T2, T3 lần lượt như
sau (Tín hiệu ra sau biến áp xung và khâu tạo xung âm):
A: d18_k 1.000 V
-5.000 V
B: d15_k 9.000 V
-1.000 V
C: r34_2 10.00 V
-5.000 V
D: d16_k 10.00 V
-5.000 V
Đồ thị trên cũng cho thấy ta đã tạo được xung âm để khoá bóng. Và giá trị của
xung âm là -5(V).
Từ các đồ thị ở hai thời điểm khi K ở mức cao và K ở mức thấp ta thấy tín hiệu
điều khiển khi K ở mức cao thì T2 luôn dẫn, T3 luôn khóa, T1 và T4 đóng mở ngược
nhau. Còn khi K ở mức thấp thì T1 luôn khóa, T4 luôn dẫn, T2 và T3 đóng mở ngược
nhau. Như vậy nó đã thỏa mãn đúng cách đưa xung điều khiển vào các cực để đảo
chiều quay của động cơ.
56

KẾT LUẬN
Như vậy qua phần trình bày về đồ án có thể thấy đồ án đã thực hiện được các
yêu cầu cơ bản như sau:
• Điều khiển được tốc độ của động cơ trong dải 1:10.
• Xây dựng và mô phỏng thành công mạch điều khiển và mạch lực
• Tính toán và lựa chọn đầy đủ các khâu đã xây dựng.
Tuy nhiên vẫn còn tồn tại một số nhược điểm:
• Việc tính toán máy biến áp và bộ lọc chỉ hoàn toàn mang tính lí thuyết và tỏ ra
chưa hợp lí.
• Việc mô phỏng vẫn chưa thực sự chuẩn với lí thuyết thiết kế.
57

TÀI LIỆU THAM KHẢO:
• Điện tử công suất.
Các tác giả: Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh.
Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật năm 2000.
• Điện tử công suất Lý thuyết Thiết Kế Ứng Dụng
Các tác giả: Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh.
• Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất
Tác giả: Phạm Quốc Hải.
Tài liệu bộ môn Tự động hoá – Khoa Điện - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội.
• MATLAB_SIMULINK
Tác giả: Nguyễn Phùng Quang.
58

Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Tendances

Tendances (20)

En vedette

En vedette (20)

Similaire à Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Similaire à Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều (20)

Plus de Thanh Hoa

Plus de Thanh Hoa (20)

Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều