Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Chương 1
TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vẫn được coi là một loại máy
quan trọng. Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong những
điều kiện làm việc khác.
Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, có nhiều ưu việt
hơn so với loại động cơ khác. Không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ
dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất
lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Động cơ điện một chiều
được dùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao vể điều chỉnh tốc
độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải…
I. CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Cấu tạo động cơ điện một chiều có thể chia thành hai phần chính là phần tĩnh
(stato) và phần quay (rôto)
1. Phần tĩnh hay stato
Đây là phần đứng yên của động cơ, bao gồm các bộ phận chính sau:
a. Cực từ chính :
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 làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay
thép cácbon dày 0,5 mm đến 1 mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ nhỏ có thẻ
dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulông. Dây quấn kích từ
được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện
kỹ thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây
kích từ đặt trên các cực từ này được nối nối tiếp với nhau.
b. Cực từ phụ
Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi
1
Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập
thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây
quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ cũng được gắn vào

vỏ máy nhờ những bulông.
c. Gông từ
Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong
động cơ nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại. Trong động cơ điện
lớn thường dùng thép đúc. Có thể dùng gang làm vỏ máy trong động cơ điện nhỏ.
d. Các bộ phận khác :
- Nắp động cơ : Để bảo vệ động cơ khỏi bị những vật ngoài rơi vào làn hư hỏng
dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện. Trong động cơ điện nhỏ và
vừa, nắp động cơ còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp động
cơ thường làm bằng gang.
- 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 trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể
quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì
dùng vít cố định chặt lại.
2. Phần quay hay rôto
Phần quay gồm có những bộ phận sau:
a. Lõi sắt phần ứng
Lõi sắt phần ứng dùng để đẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện
(thép hợp kim silic) dày 0,5 mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để
giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau
khi ép lại thì đặt dây quấn vào.
Trong những động cơ cỡ trung trở lên, người ta còn dập những lỗ thông gió để
khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục.
Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành từng đoạn nhỏ.
Giữa các đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe thông gió ngang trục. Khi động cơ
làm việc, gió thổi qua các khe làm nguội dây quấn và lõi sắt.
2
Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Trong động cơ điện nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép chặt trực tiếp vào trục. Trong

động cơ điện lớn hơn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết
kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.
b. Dây quấn phần ứng
Dây quấnphần ứng là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây
quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong động cơ điện
nhỏ (công suất dưới vài kilôoat) thương dùng dây có tiết dện tròn. Trong động cơ
điện vừa và lớn, thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn đựợc cách điện
cẩn thẩn với rãnh của lõi thép.
Để tránh khi quay bị văng ra so sức ly tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt
hoặc phải đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakêlit.
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 động cơ : trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục
động cơ thường được làm bằng thép cácbon tốt.
II. CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG

Phương trình đặc tính cơ điện : ω =
φ
K
U

u
-
φ
K
RR
fu
+
I
ư

3
Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Phương trình đặc tính cơ : ω =
φ
K
U
u
-
2
)(
φ
K
RR
fu
+
M

Từ phương trình đặc tính trên ta thấy có 3 thông số ảnh hưởng tới đặc tính cơ:
- Ảnh hưởng của điện trở phần ứng : Để thay đổi điện trở phần ứng ta nối thêm
điện trở phụ R

f
vào mạch phần ứng. R
f
càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng
thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm.
- Ảnh hưởng của điện áp phần ứng : Khi giảm điện áp thì mômen ngắn mạch
giảm, dòng điện ngắn mạch giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với 1 phụ tải
nhất định.
- Ảnh hưởng của từ thông : Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng I
kt
động
cơ. Khi giảm từ thông thì vận tốc động cơ tăng.
III. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
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 U
kt
, 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
Φ
max
tức là phải giảm điện trở của mạch kích từ R
kt
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
4
n
n

0
R
f
=0,TN

R
f1

R
f3
R
f2
0 M
mđ
(I
mưđ
) M(I
)ư
Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
khi thay đổi điện trở phần ứng
Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập
không quay được, do đó E
ư
= 0 và theo biểu thức U = E
ư
+ R
ư
I
ư
thì dòng điện I

ư
sẽ
rất lớn làm cháy động cơ. Nếu mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản
(M > M
c
) rôto bắt đầu quay và suất điện động E
ư
sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n.
Do sự xuất hiện và tăng lên của E
ư
, dòng điện I
ư
sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng
chậm hơn. Tăng dần I
ư
bằng cách tăng U
ư
hoặc giảm điện trở mạch điện phần ứng
cho đến khi máy đạt tốc độ định mức. Trong quá trình tăng I
ư
cần chú ý không để
lớn quá so với I
đm
để không xảy ra cháy động cơ.
IV. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1
CHIỀU
Từ biểu thức : ω =
φ
K
U

u
-
2
)(
φ
K
RR
fu
+
M
ta thấy rằng việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có thể thực hiện được
bằng cách thay đổi các đại lượng Φ, R
ư
, U.
1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở
phần ứng
Ứng với mỗi giá trị của R
f
có một đặc tính cơ khác
nhau trong đó R
f =
0 là đặc tính cơ tự nhiên. Ta thấy
nếu R
f
càng lớn thì đặc tính cơ sẽ có độ dốc càng cao
nghĩa là tốc độ thay đổi nhiều khi tải thay đổi. Phương
pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng
dưới tốc độ quay định mức và luôn kèm theo tổn hao
năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của
động cơ điện. Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở

động cơ có công suất nhỏ

5
Φđm> Φ1 > Φ2
Φ
2

Φ
1

M
c

Φ
đ
m
,TN
Mnm2 Mnm1 Mnm
Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc
lập khi thay đổi từ thông
ω
ω
0
U
đm
ω
01
U
1
ω

02
U
2
ω
03
U
3
ω
04
U
4

M
c
M(I)
Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
kích từ độc lập khi thay đổi điện áp phần
ứng
Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập
2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mômen
điện từ của động cơ M = K.Φ.Iư và sức điện động quay của động cơ E
ư
= K.Φ.ω
Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến nên hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ
phi tuyến:
i
k
=
kb

k
rr
e
+
+ ω
k
dt
d
φ
trong đó r
k
– điện trở dây quấn kích thích

r
b
– điện trở của nguồn điện áp
kích thích
ω
k
– số vòng dây của dây quấn
kích thích
Thường khi điều chỉnh điện áp phần ứng được
giữ nguyên bằng giá trị định mức, do đó đặc tính
cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng
định mức, từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơ bản.
Vì β
Φ =
u
R
K

2
)(
φ
nên độ cứng đặc tính cơ giảm rất nhanh khi ta giảm từ thông
để tăng tốc độ cho động cơ

3. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp
phần ứng
Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng
động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song
6
Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập
với đặc tính cơ tự nhiên.
Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp ( giảm áp ) thì mômen ngắn mạch, dòng điện
ngắn mạch giảm và tốc
độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng
được dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động.
7
Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Chương 2
CHỌN PHƯƠNG ÁN
Nguồn điện một chiều cấp cho động cơ điện một chiều có thể lấy được từ nhiều
cách khác nhau. Lấy trực tiếp từ máy phát điện một chiều hoặc có thể dùng bộ biến
đổi một chiều. Trong thực tế, bộ biến đổi một chiều có thể dễ dàng thiết kế nhờ các
mạch chỉnh lưu sử dụng các van bán dẫn. Hơn nữa, các mạch chỉnh lưu sử dụng van
điều khiển còn có thể dễ dàng điều khiển được theo yêu cầu của từng loại tải. Do
các ưu điểm đó, ta sẽ thiết kế nguồn một chiều thông qua các mạch chỉnh lưu điện
áp xoay chiều lấy từ lưới điện. Dưới đây là một số mạch chỉnh lưu cơ bản và hay
được sử dụng.
1. Mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng

- Các van dẫn lần lượt theo từng cặp (T
1
, T
2
) và (T
3
, T
4
).
- Góc mở van α, góc dẫn các van λ
0 – α : T
1
, T
2
dẫn
α – α + λ : T
3
, T
4
dẫn, đồng thời T
1
, T
2
khóa lại

Công thức:
8
Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập
U
dα

=
π
22
U
2
cosα = 0,9U
2
cosα
I
dα
=
Rd
U
d
α
I
v
=
2
d
I
S
ba
= 1,23P
d
U
ngmax
=
2
U

2
I
2
= 1,11I
d
*
Nhận xét:
Chỉnh lưu cầu một pha sử dụng rộng rãi trong thực tế, nhất là với cấp điện áp
tải lớn hơn 10V. Dòng tải có thể lên tới 100A. Ưu điểm của nó là không nhất thiết
phải có biến áp nguồn. Tuy nhiên do số lượng van gấp đôi hình tia nên sụt áp trong
mạch van cũng tưng gấp đôi. Do đó nó không phù hợp với tải cần có dòng lớn
nhưng điện áp nhỏ.
2. Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha điều khiển đối xứng
- Dòng điện i
d
phẳng do L
d
rất lớn.
- Hoạt động của mạch với góc điều khiển α
θ : 0
0
– 30 + α : T
3
dẫn
θ : 30 + α – 150
0
+ α : T
1
dẫn
θ : 150 + α – 270

0
+ α : T
2
dẫn
Các van hoạt động riêng, độc lập
9
Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Công thức:
U
dα
=
π
2
63
U
2
cosα = 1,17U
2
cosα
I
dα
=
Rd
U
d
α
I
v
=

3
d
I
S
ba
= 1,35P
d
U
ngmax
=
6
U
2
I
2
= 0,58I
d
*
Nhận xét:
Chỉnh lưu tia 3 pha cần có biến áp nguồn để đưa điểm trung tính ra tải. Công
suất máy biến áp này hơn công suât một chiều 1,35 lần, tuy nhiên sụt áp trong mạch
van nhỏ nên thích hợp với phạm vi điện áp thấp. Vì sử dụng nguồn ba pha nên cho
phép nâng công suất tải lên nhiều (đến vài trăm ampe), mặt khác độ đập mạch của
điện áp ra sau mạch chỉnh lưu giảm đáng kể nên kích thước bộ lọc cũng nhỏ đi
nhiều.
3. Mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng
- Hoạt động của mạch: các van nhóm lẻ thay nhau dẫn cho điện áp ở điểm
10
R1
L1

T3
T2
T1
Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập
katốt chung U
KC
,

các van nhóm chẵn thay nhau dẫn cho điện áp ở điểm anốt
chung U
AC
.
- Công thức:
U
dα
= U
do
cosα =
π
63
U
2
cosα
i
d
= I
d
=

d

d
R
U
α

I
tbv
=
3
d
I
U
ngmax
=
6
U
2
S
ba
= 1,05P
d
I
2
= 0,816I
d
*
Nhận xét:
Chỉnh lưu 3 pha sơ đồ cầu là loại
được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế vì
nó có nhiều ưu điểm hơn cả. Nó cho phép có thể đấu thẳng vào lưới điện ba pha, độ

đập mạch nhỏ 5%. Nếu có sử dụng máy biến áp thì gây méo lưới điện ít hơn các loại
trên. Đồng thời, công suất mạch chỉnh lưu này có thể rất lớn đến hàng trăm kW.
Nhược điểm của mạch này là sụt áp trên van gấp đôi sụt áp trên van trong mạch sơ
đồ hình tia.
Chọn mạch van:
Theo yêu cầu của đề bài: U
đm
= 120V, I
đm
= 100A ta có công suất của động cơ là
P
đm
= U
đm
. I
đm
= 120.100 = 12000 W = 12 kW
11
Thiết kế hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Công suất này nhá h¬n 15KW nên ta sử dụng mạch chỉnh lưu cầu 1 pha nhng
dòng Idm=100A sẽ làm lệch lưới nên mạch cầu 3 pha là thích hợp hơn
Mặt khác yêu cầu nguồn cung cấp cho động cơ phải điều chỉnh được điện áp,
điện áp điều chỉnh phải trơn nên ta chọn van phải là van điều khiển.
Như vậy ta sẽ chọn mạch lực là mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng.
điện áp ra của mạch chỉnh lưu là: U
d0
=
π
63
U

2
U
2
=Ud0/2,34=51.2V
Mà điện áp nguồn là 380V do dó cần dùng biến áp nguồn
Kết luận:
Qua xem xét và tính toán ở trên, ta chọn mạch lực là mạch chỉnh lưu cầu ba
pha điều khiển đối xứng
12
Thit k h thng iu khin ng c in mt chiu kớch t c lp
Chng III . Thit k mch lc
Sau khi phân tích đánh giá về chỉnh lu ,từ các u nhợc điểm của các sơ đồ
chỉnh lu ,với tải và động cơ điện một chiều với công suất vừa phải nh trên thì
sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha điều khiển đối xứng là hợp lí hơn cả ,bởi lẽ ở công suất
này để tránh lệch tải biến áp ,không thể thiết kế theo sơ đồ một pha ,sơ đồ tia 3
pha sẽ làm mất đối xứng điện áp nguồn .Nên sơ đồ thiết kế ta chọn là sơ đồ cầu 3
pha có điều khiển đối xứng
S MCH NG LC
13
Thit k h thng iu khin ng c in mt chiu kớch t c lp
BA
AT
KKK
A
V
RI
Đ
KT
L
P

P
Q
P
A B
C
K
X
P
Y

P
FT
R R
R
R
R
R
R
R
R
C
C
C
C
C
C
C
C
C
T4

T3
T5
T2
T6
T1
M
P
N
P
I. Tớnh toỏncunkhỏng lc.
gim p mch ca dũng Id ,lm dũng ti trn v hn ch s gión
on ta dựng cun
khỏng lc
1.Tính giá trị điện cảm của cuộn kháng lọc
Vì hệ số đập mạch chỉnh lu cầu 3 pha là: K
đmv
= 0,057 nên mạch lọc có hệ số
san bằng:
14
Thit k h thng iu khin ng c in mt chiu kớch t c lp
K
sb
=
5,9
006,0
057,0
==
dmr
dmv
k

k

Ta có điện trở tơng đơng:
R =

21
100
120
,

d
d
I
U

Do R
1
không lớn , K
sb
không lớn nên bộ lọc đợc chọn là điện cảm

L =
mHH.,

,
k
.m
R
sb
m

d
600601-59
5026
21
1
22
1d





1
=2 50 rad/s là tần số góc của nguồn xoay chiều của lới
2.Tính toán cuộn kháng
- ta có: Id=100A , L = 0,006H ,

U_=5%Ud=6V ,

U~= 6V, Tmt =40
0
c ,

T=50
0
c
2.1.Tính kích thớc lõi thép:
- Kích thớc cơ sở:
a = 2,6
27100006062

2
4
2
cm, LI
d

Chọn a = 9 (cm)
b = 1,5a = 13,5(cm)

c = 0,8a = 7,2(cm)
h= 3a = 3.9=27(cm)
- Tiết diện lõi thép:
S
th
= ab = 9.13,5 = 121.5 (cm
2
)
- Diện tích của sổ :
S
cs
= h.c = 27.7,2 = 194.4(cm
2
)
- Độ dài trung bình đờng sức:
l
th
= 2 (a+b+c) = 2(9+27+7.2) = 86.4(cm)
15
Thit k h thng iu khin ng c in mt chiu kớch t c lp
- Độ dài trung bình dây quấn:

l
dq
= 2(a+b) + c = 2(9+13.5) + 7.2 = 67.6(cm)
- Thể tích lõi thép:
V
th
= 2ab (a+h+c) = 11591.1 (cm
3
)
2.2. Tính điện trở của dây quấn ở t
0
= 20
0
C đảm bảo độ sụt áp cho phép:

r
20
=





3-
0003-3-
10246
20-5040102641
1006
20-102641


.,
)](.,[
/
TT.,
I/_U
mt
d





r
20
= 0,0462()
2.3. Số vòng dây của cuộn cảm
W = 414
)V(,
.
,
l
s.r
dq
cs
9150
667
419404620
414
20


Chọn 151vòng
2.4 Tính mật độ từ trờng
H =
)m/A(.
.

l
I.W
th
d
817476
486
100151100
100

2.5.Tính cờng độ từ cảm:chỉnh lu 3 pha có 6 đập mạch trong một chu kì điện áp f
dm
=50.6=300Hz
=
)T(.,
, ,
.
s.f.W,
.U
thdm
3-
44
10452
50121300151444
106

444
10


2.6. Tính hệ số từ thẩm:
vì B<0.005T nên:
à = 717.

m/H.,.
H
6-6-
0.83-
1076610
1000


2.7.Trị số điện cảm nhận đợc
L
tt
=
)H(,
,.
, ,
l.
s.W.
th
th
021380
486100
512115110766

100

26-
2


trị số này lớn hơn 5% giá trị yêu cầu nên chấp nhận đợc
2.8 Tiết diện dây quấn
s = 0,072.
)mm(,
.,
.,.,
.
r
s.l
csdq
2
3-
20
2838
10246
2404194267
0720
16
Thit k h thng iu khin ng c in mt chiu kớch t c lp
ta chọn dây quấn hình chữ nhật 7.4mmx5.5mm=39.8mm
2
2.9 Xác định khe hở tối u:
l
kk

= 1.6.10
-3
. W .I = 1,6.10
-3
.151.100 = 24.6(mm)
Vì trên đờng đi mạch từ có hai đoạn khe hở nên miếng đệm cơ đo chiều dầy băng
1/2l
kk
.
l
đệm
= 0,5.l
kk
= 12.3(mm)
2.10 Kích thớc cuộn dây
Chọn dây quấn dầy 10mm, độ cao sử dụng dây quấn.
h
sd
= h - 2C = 25 (cm)
- Số vòng dây trong 1 lớp:
W' =
vòng.
,h
h
d
sd
733
740
25


Vậy 1 lớp quấn 33 vòng.
- Tính số lớp dây:
n =
54
33
151
,
'W
W

Vậy cần quấn 5 lớp.
- Độ dày của cả cuộn dây

cd
= n(d +
cd
)
Trong đó:
cd
= 5(mm)

cd
= 5(0,55 + 0,5) = 5.25(cm)
Độ dày của quận dây
cd
nhỏ hơn kích thớc cửa số c = 7.2(cm) nên dây lọt vào
trong cửa sổ.
2.11 Kiểm tra chênh lệch nhiệt độ:
P
Cu

=
)W(,
).(.,
,
)T.(.,
I._U.,
mt
d
9563
20-40102641
1006021
20-102641
021
3-3-





S
Cu
= 2h
sd
(a+b+
cd
) + 1,4.
cd
(
cd
+ 2a)

S
Cu
= 2245.6 (cm
2
)
Hệ số phát nhiệt:
= 1,03. 10
-3
cmC
W
h
sd
.
008,0
5
0
6
=
Độ chênh lệch nhiệt độ:
C,
,.,S.
Cu
Cu
0
3831
883840080
2172





17
Thit k h thng iu khin ng c in mt chiu kớch t c lp
T
tt
< T cho phép Thoả mãn
II. Tớnh chn van mch lc v bo v van
1.Tớnh chn van
Ta có các thông số kĩ thuật của mạch Ud=120V,Id=100A
a> chn theo in ỏp trờn van

Với Ud=Ku.U
2
=2,34U
2
Điện áp ngợc lớn nhất đặt lên van là:
U
maxng
=2.45U
max2
=2.45.Ud/Ku=2,45.120/2,34=125,6V
Lấy hệ số dự trữ điện áp là1,7
Suy ra
Unv=1,7.125,6V=213,5V
b>chọn theo dòng điện qua van
-với sơ đồ cầu 3 pha :Itbv=
3
Id
=
3

100
=33,3A
chọn hệ số dự trữ dòng là 1.4 vì Itbv<100A
Ilv=1,4.33,3=46,2A
-với điều kiện làm mát tự nhiên ,ta chọn:
Ilv=25%Idmv Idmv = 4.Ilv = 186,4A
Từ hai thông số Unv=213,5V
Idmv=186,4A
Tra bảng chọn van T14 200-3
Loại van này có các thông số sau:
Icp=200A
Ix=650A
Id=3300A
Irò=25mA
Sụt áp trên van

U=1.75V
điện áp điều khiển Uđk=3,5V
Iđk=200mA
2. Tớnh toỏn bo van mch lc.
Trong bộ chỉnh lu phần tử kém khả năng chịu đợc các biến động mạnh của biến
18
Thit k h thng iu khin ng c in mt chiu kớch t c lp
áp và của dòng điện chính là các van bán dẫn.
*) Bảo vệ về quá dòng
Thực tế do yêu cầu của đề bài mà bắt buộc ta phải dùng đến biến áp. Vì vậy thực
chất trong mạch đã có bảo vệ quá dòng nên chỉ cần lắp atomat đầu mạch biến áp.
*) Bảo vệ quá áp do phía nguồn xoay chiều gây ra, ở đây ta dùng mạch RC để chống
quá áp nguồn kiểu riêng rẽ từng pha.
+) Tính hệ số biến áp của van

k =
tt
cp
U
U
+) Tính năng lợng từ trờng tích luỹ trong
biến áp:
W = 0,5. L
à
. I
2
à
max
=

à
22
.
2
max
I
Is
ba

Trong đó:
L
à
: điện cảm từ hoá biến áp
I
2

à
max
:biên độ dòng từ hoá
S
ba
: công suất biến áp
I
2
: dòng điện thứ cấp biến áp
+) Tính giá trị nhỏ nhất
C
min
=
*
2
2
max2
C
U
W

+) Phạm vi điều chỉnh giá trị điện trở pha

à

à
max
max2
min
max

max2

0
R
I
U
RR
U
U
m

Thông thờng qua tính toán và kinh nghiệm ngời ta thờng chọn
R = 80() C = 1,25(àF)
*) Bảo vệ các sung áp trên van
Biện pháp bảo vệ thông dụng nhất hiện nay là dùng mạch RC mắc song song với
van và càng gần van càng tốt để xây dựng dây ngắn tối đa. Thực chất chỉ cần tụ C
song vì van sẽ xuất hiện dòng điện phóng của tụ qua van làm nóng thêm cho van nên
cần dùng một điện trở R nhằm hạn chế dòng này trong phạm vi 10
ữ
50A. Tuy
nhiên có thể dùng phơng pháp đồ thị tính gần đúng.
+) Tính hệ số quá áp trên van
19
Thit k h thng iu khin ng c in mt chiu kớch t c lp
K =
ntt
ngcp
U
U
Trong đó:

U
ngcp
: điện áp ngợc lớn nhất thờng xuyên đặt lên van
U
ntt
: điện áp ngợc thực tế lớn nhất
- Tra bảng và đồ thị:
Xác định C
*
, R
*
, R
*
max
theo k
+) Tính tối đa giảm dòng lớn nhất khi van khoá
-
max
2(max)
yY
If
dt
di

=
Trong đó:
f
y
: tần số chuyển mạch của van
I

ymax
: giá trị dòng điện lớn nhất qua van trớc khi khoá.
+) Tính các trị số:
C
min
=
*
min
.
2
C
U
Q
ngtt
R
min
Q
LU
ng
2
'.
R'


Q
LU
R
ng
2
'

*
max
+) Kiểm tra tốc độ tăng áp thuận qua van du/dt
f
R
U
dt
du
.
2
max
=
với R
f
điện trở tải
Nếu giá trị này vợt quá giá trị cho phép của van thì lại tính lại nh đầu.
+) Tính công suất điện trở
Theo thực nghiệm đợc tính gần đúng:
P
R
= f
y
. C. U
2
ymax
Trên đây là toàn bộ công việc tính toán của mạch động lực. Hầu nh đợc dựa trên
20
Thit k h thng iu khin ng c in mt chiu kớch t c lp
kinh nghiệm thực tế của các thầy cô giáo. Vì vậy có một số kết quả thực tế đợc công
nhận.

R=80; C=0,25F
III. TNH MY BIN P

-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-Điện áp pha sơ cấp máy biến áp :
U
1
=380 (V)
2-Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp
Phơng trình cân bằng điện áp khi có tải :
U
do
=U
d
+ 2U
v
+U
dn
+ U
ba
+
loc
U
Trong đó :
U
v
=1,75 (V) là sụt áp trên Thyristor
U
dn



0 là sụt áp trên dây nối
U
ba
= U
r
+ U
x
là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp .
Chọn sơ bộ :
U
ba
=8% .U
d
=8% .120 = 9,6 (V)
VUd%U
loc
65
là sụt áp trên cuộn kháng lọc
Thay vào đợc:
U
d0
=120+2.1.75+6+6=135.5(V)
Lấy góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lới là: =35
0
Điện áp pha thứ cấp pha máy biến áp :
U
2
=

)V(,
cos.
.
cosk
U
u
d
670
35342
5135
35
00


3-Công suất biểu kiến của máy biến áp là
21
Thit k h thng iu khin ng c in mt chiu kớch t c lp
S
ba
=K
ba
.Pd
K
ba
=1.05
Pd=Udo.Id:công suất thực tế phía một chiều
S
ba
=1,05.135,5.100=14228(W)
4-Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp :

I
2
=
d
I.
3
2
=
A 6581100
3
2

5-Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp :
I
1
= K
ba
I
2
=
1
2
U
U
.I
2
= 15,18 (A)
*)Tính sơ bộ mạch từ Vì công suất máy biến áp > 10KVA nên chọn trụ nhiều bậc
6-Tiết diện sơ bộ trụ .
Q

Fe
=k
Q
.
f.m
S
ba
Trong đó :
k
Q
là hệ số phụ thuộc phơng thức làm mát ,lấy k
Q
= 6 .
m là số trụ của máy biến áp m=3
f là tần số xoay chiều , ở đây f = 50 (Hz)
Thay số ta đợc :
Q
Fe
=6 .
503
14228
.
=58,43cm
2
7-Đòng kính trụ :
d =

e
F
Q.4

=

.,43458
= 8,6 (cm)
Chuẩn đoán đờng kính trụ theo tiêu chuẩn d = 9 (cm)
8-Chọn loại thép 330 các lá thép có độ dày 0,5 mm
Chọn mật độ từ cảm trong trụ B
t
= 1(T)
9-Chọn tỷ số m=
d
h
= 2,3 , suy ra h = 2,3 . d = 2,3.9 = 20.7 (cm)
Ta chọn chiều cao trụ là 20 cm
*)Tính toán dây quấn .
10- Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp .
22
Thit k h thng iu khin ng c in mt chiu kớch t c lp
W
1
=
TFe
BQf
U
44,4
1
=
)vòng(.
, , ,
9292

0110435850444
380
4-

Lấy W
1
= 293vòng
11- Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp :
W
2
=
1
2
U
U
.W
1
=
)vòng(,.
,
454293
380
6870

Lấy W
2
= 93 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 .
S
1
=
1
1
J
I
=
752
1815
,
,
= 5,52(mm
2
)
Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật ,cách điện cấp B .
Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn : S
1
= 5,70 (mm
2
)
Kích thớc dây dẫn có kể cách điện
S
1cđ

= a
1
.b
1
= 1,56mmx3,8mm
14- Tính lại mật độ dòng điệnk trong cuộn sơ cấp .
J
1
=
1
1
S
I
=
75
1815
,
,
= 2,66 (A/mm
2
)
15- Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp .
S
2
=
2
2
J
I
=

752
6581
,
,
= 29.69 (mm
2
)
Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật ,cách điện cấp B .
Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn : S
2
= 30.00 (mm
2
)
Kích thớc dây dẫn có kể cách điện : S
2cđ
= a
2
.b
2
= 3,28mm x 9,3 mm
16- Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp .
J
1
=
1
1
S
I
=
0030

6581
,
,
= 2,72 (A/mm
2
)
*)Kết cấu dây dẫn sơ cấp :
Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục
18- Tính sơ bộ số vòng dây tren một lớp của cuộn sơ cấp .
W
11
=
1
.2
b
hh
g

. k
c
=
)vòng(,,
,
,.
542950
380
512-20

23
Thit k h thng iu khin ng c in mt chiu kớch t c lp

Trong đó :
k
c
= 0,95 là hệ số ép chặt .
h =20cm là chiều cao trụ .
h
g
là khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp .
Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện gông là 1,5 cm .
19- Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp :
n
11
=
11
1
W
W
=
42
293
= 6,9 (lớp)
- Chọn số lớp n
11
=7 lớp .Nh vậy có 293 vòng chia thành 7 lớp
,Chọn 6 lớp đầu vào có 42 vòng ,lớp thứ 7 có 293-6.42 = 41 (vòng)
20- Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp :
h
1
=
c

k
bW .
11
=
950
38042
,
,.
= 16,8 (cm)
21- Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dầy : S
01
= 0,1 cm.
22- Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp a
01
= 1,0 cm .
23- Đờng kính trong của ống cách điện .
D
t
= d
Fe
+ 2.a
01
- 2.S
01
=9+ 2.1-2.0,1 = 10,8 (cm)
24- Đờng kính trong của cuộn sơ cấp .
D
t1
= D
t

+ 2.S
01
=10,8 + 2.0,1= 11 (cm)
25- Chọn bề dầy giữa hai lớp dây ở cuộn sơ cấp : cd
11
= 0,1 mm
26-Bề dầy cuộn sơ cấp .
B
d1
= (a
1
+cd
11
).n
11
= (1.56 + 0,1).7 = 11.62mm=1,162 (cm)
27- Đờng kính ngoài của cuộn sơ cấp .
D
n1
= D
t1
+2.B
d1
=11 + 2.1,162= 13.324 (cm)
28- Đờng kính trung bình của cuộn sơ cấp .
D
tb1
=
2
-

11 nt
DD
=
2
3241311 .
= 12,162 (cm)
29- Chiều dài dây quấn sơ cấp .
l
1
= W
1
..D
tb
= .293.12,162 =11194,9(cm)
30- Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp :cd
01
= 1,0 cm
*) Kết cấu dây quấn thứ cấp .
31- Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp .
h
1
= h
2
= 16,8 (cm)
32- Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp .
24
Thit k h thng iu khin ng c in mt chiu kớch t c lp
W
12
=

c
k
b
h
2
2
=
950
930
816
,
.
.
= 17.1(vòng)
Lấy W12=17 vòng
33- Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp .
n
12
=
12
2
W
W
=
17
55
= 3.2 (lớp)
- Chọn số lớp dây quấn thứ cấp n
12
= 4 lớp .Chọn 3lớp đầu có 24 vòng ,

lớp thứ 4 có 55 3.17 = 4 (vòng)
34- Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp
h
2
=
b
k
W
c
.
12
=
930
950
17
,.
,
= 16.64 (cm)
35- Đờng kính trong của cuộn thứ cấp.
D
t2
= D
n1
+ 2.a
12
= 13,324 + 2.1 = 15.324 (cm)
36- Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp : cd
22
= 0,1 (mm)
37- Bề dầy cuộn sơ cấp .

B
d2
= (a
2
+cd
22
).n
12
= (0,328 + 0,01).4= 1,352 (cm)
38- Đờng kính ngoài của cuộn thứ cấp .
D
n2
= D
t2
+ 2.B
d2
= 15.352 + 2.1,352 = 18,028 (cm)
39- Đờng kính trung bình của cuộn thứ cấp .
D
tb2
=
2
-
22 nt
DD
=
2
0281832415 ,,
= 16,676 (cm)
40- Chiều dài dây quấn thứ cấp .

l
2
= .W
2
.D
tb2
= .55.16,676 = 28,814 (m)
41- Đờng kính trung bình các cuộn dây .
D
12
=
2
21 nt
DD

=
2
0281811 ,
=14,514 (cm)

r
12
=
2
12
D
= 7,257 (cm)
42- Chọn khoảng cách giữa hai cuộn thứ cấp :a
22
= 2 (cm)

*)Tính kích th ớc mạch từ .
43- Với đờng kính trụ d= 9 cm ,ta có số bậc là 5 trong nửa tiết diện trụ .
25