Ch−¬ng IV
THIÕT KÕ Bé BIÕN TÇN NGUåN ¸P BA PHA
CHO §éNG C¥ KH¤NG §åNG Bé
ROTO LåNG SãC

48
Trang


A. SƠ Đồ KHốI MạCH ĐộNG LựC
Mạch động lực dùng để truyền tải năng lợng điện cung cấp cho động cơ.
Mạch ny l một bộ biến tần gián tiếp bao gồm các khối sau:
CHẩNH
LặU

LOĩC

NGHậCH
LặU

K

Hỗnh 4.1. Sồ õọử khọỳi hóỷ thọỳng
nghởch lổu
I. Chức năng:
1. Khối chỉnh lu:
Khối chỉnh lu dùng để biến đổi nguồn AC sang nguồn DC theo sự
phân loại dựa vo van đợc sử dụng ta có ba phơng pháp sau:
+ Chỉnh lu không điều khiển dùng Diode.
+ Chỉnh lu có điều khiển dùng Thyritor.
+ Chỉnh lu bán điều khiển dùng Diode v Thyristor.

Đối với lới điện áp ba pha ta có hai cách mắc sơ đồ: Hình tia v hình cầu.
D1
D5

D3

D4
D2

D6

Ud

Ud

Hỗnh 4.2. Sồ õọử chốnh lổu ba pha hỗnh
cỏửu duỡng Diode vaỡ sồ õọử chốnh lổu ba
pha hỗnh tia duỡng Diod
Đối với lới điện một pha ta có 3cách mắc chỉnh lu:

Ud
Ud

Ud

(a)
(b)
(c)
Hỗnh 4.3. Sồ õọử chốnh lổu mọỹt pha duỡng diode
a) Chốnh lổu nổớa soùng

b) Chốnh lổu hỗnh tia toaỡn soùng; c) Chốnh lổu
hỗnh cỏửu toaỡn soùng
49
Trang


So sánh sơ đồ hình tia v hình cầu ta thấy:
+ Sơ đồ hình tia đơn giản hơn, số van ít nên độ sụt áp v tổn thất bé.
+ Sơ đồ hình cầu có điện áp ngợc đặt lên van nhỏ hơn nên ta có thể
chọn đợc loại van có thông số về điện áp ngợc nhỏ hơn.
+ Máy biến áp ứng với sơ đồ cầu đợc sử dụng triệt để hơn.
+ Sơ đồ cầu cho chất lợng điện áp ra tốt hơn.
Với yêu cầu thiết kế: Sử dụng lới điện một pha v điều chỉnh đợc. Do
vậy ta dùng sơ đồ cầu chỉnh lu, dùng Thyristor.
Mạch chỉnh lu đợc cung cấp điện bởi máy biến áp. Do đó phụ tải đợc
cách ly với lới điện, vận hnh đợc an ton thuận tiện, hạn chế đợc dòng
ngắn mạch trong mạch chỉnh lu v hạn chế tốc độ tăng của dòng Anode, cải
thiện đợc hình dạng dòng điện trong lới.
2. Khối lọc:
Điện áp ra của khối chỉnh lu l điều chỉnh nhng không bằng phẳng m
nhấp nhô, gọi l sự đập mạch. Do đó để cho dòng điện áp ít thay đổi ta cần có
khối lọc. Khối lọc dùng để tách từ một tín hiệu phức tạp những thnh phần có
tần số nằm trong một dải nhất định v loại đi những thnh phần nằm ngoi dải
đó. Dải tần số mạch lọc cho tín hiệu đi qua gọi l dải thông của nó.
Hiện tợng đập mạch tạo ra cách thnh phần sóng hi gây nên sự tiêu phí
năng lợng một cách vô ích, lm giảm hiệu suất của mạch chỉnh lu. Để đánh
giá chất lợng của mạch lọc ta xem xét hệ số đập mạch của mạch lọc:
Kp=

Bión õọỹ soùng haỡi lồùn

nhỏỳt cuớa Ud(Id)
Giaù trở trung bỗnh cuớa

Kp cng nhỏ chất lợng lọc cng lớn.
a.Lọc bằng tụ C:
Tụ C mắc song song với tải. Tụ không cho thnh phần một chiều đi qua
m chỉ cho thnh phần xoay chiều đi qua v một ít sóng hi bậc thấp. Điện
dung cng lớn, dòng v áp trên tải cng đỡ đập mạch v hiệu quả lọc cng cao.
Hệ số đập mạch
U
U
R
2
Kp =
CRt
Hỗnh 4.4. Loỹc
bũng tuỷ
b.Lọc bằng cuộn cảm L:
Cuộn cảm L mắc nối tiếp với tải Rt,
nó có tác dụng cho dòng điện một chiều đi
it
qua dễ dng, ngăn cản thnh phần xoay
U
chiều đi qua v do đó có thể giảm đợc độ
Hỗnh 4.5. Loỹc bũng
đập mạch dòng v áp.
cuọỹn caớm
L

50

Trang


Hệ số đập mạch

Kp =

Rt
3T

Bộ lọc ny thích
hợp với tải công suất vừa v lớn.
c.Lọc dùng tụ C v cuộn cảm L:
Bộ ny sử dụng tổng hợp tác dụng của cuộn cảm L v tụ C để lọc. Do đó
các sóng hi cng đợc giảm nhỏ trớc khi tải ra v nh vậy dòng điện ra tải
v điện áp đặt lên tải ít nhấp nhô. Theo yêu cầu cần thiết, động cơ (tải) có công
suất tơng đối nhỏ (0,75 KW), để giảm kích thớc lắp ráp v giá thnh của
mạch thiết kế ta chỉ cần bộ lọc tụ điện. Tuy nhiên trong thiết kế ny, để tăng
chất lợng cung cấp điện cho tải, cũng nh tạo sự an ton lm việc cho bộ
nghịch lu ta sử dụng bộ lọc l tổng hợp L v C.
3.Khối nghịch lu áp :
Khối nghịch lu áp dùng để biến đổi điện áp một chiều sau bộ lọc thnh
xoay chiều để cung cấp cho động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc. Các
van bán dẫn dùng trong bộ nghịch lu áp có thể l MOSFET , Thyristor hoặc
Transistor.
a.Dùng Thyristor:
Dùng Thyristor trong mạch nghịch lu điện áp thì cần phải có bộ phận
chuyển mạch cho Thyristor gồm có các tụ điện v các cuộn cảm nên giá thnh
cao v khả năng đóng cắt ở tần số thấp.
b.Dùng Transistor:

Transistor lỡng cực chuyển mạch nhanh hơn Thyristor nhng cần phải
có mạch trợ giúp khi lm việc trong điều kiện:
f > 5 KHz hoặc VCEO> 60 V; IC > 5A.
Do sự phát triển của công nghệ bán dẫn rất mạnh mẽ ngy nay, chúng ta
có thể lựa chọn cho mình một loại bán dẫn công suất tùy thộc vo yêu cầu điều
khiển của chúng ta. ở đây em đã chọn dùng loại Transistor lỡng cực(BJT) để
điều khiển. Transistor đợc điều khiển mở bằng dòng Bazơ v bị ngắt ngay khi
mất dòng điều khiển. Điều ny thuận lợi hơn nhiều so vời việc dùng Thyristor
để nghịch lu.
II. Nguyên lí hoạt động:
V1
L

V2

T1
T

D1
D

C
C

220V
V2
V4
V3

K

T4
T

D4
D

Hỗnh 4.6. Sồ õọử nguyón lyù maỷch
õọỹng lổỷc

Trang

D3

51


1. Bộ chỉnh lu:
ứng với nửa chu kì dơng của điện
áp nguồn tại thời điểm =;cho xung
mở T1 ,T3. Tại thời điểm = + ; cho
xung điều khiển mở T2,T4 (vì sự có mặt
của Lc của máy biến áp nên dòng iT1,3
không thể giảm đột ngột từ Id xuống
không m dòng iT2,4 cũng không tăng
đột ngột từ 0 tới Id). ở đây ta bỏ qua
hiện tợng trùng dẫn. Vì có điện cảm L
nên dòng tải l dòng liên tục.
Giá trị trung bình của điện áp sau
chỉnh
lu l:


T1
T2
U2
Ud
T4
T3

U2
t

Ud

1 +
2. 2
.V2 .Cos
2 .V2 .Sin .d =
2.

Giá trị trung bình của dòng điện
chảy qua mỗi Thyristor:
Id
1 +
I=
I d .d =
2.
2
Giá trị trung bình của dòng điện tải:

t


Ud =

Id =

Id =

1 +




U E
2 .V2 .Sin E
d = d
R
R

1 + 2
I d .d = I d



+
T1
T

-

T4

T
Trang

U ng = 2 .V2

D1
D

D4
D

Hỗnh 4.7. Sồ õọử nguyón
lyù vaỡ daỷng soùng
chốnh lổu cỏửu mọỹt pha

D3

D6

Hỗnh 4.8. Sồ õọử nguyón lyù nghởch
lổu Transistor

Giá trị hiệu dụng của
dòng điện thứ cấp máy biến
áp:
Điện áp ngợc lớn nhất
đặt lên mỗi Thyristor:

52



2.Bộ nghịch lu:
Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lu:
Các Transistor đợc mở lần lợc theo thứ tự T1, T2, T3... T6, T1 với góc
lệch giữa hai Transistor l /3 mỗi van dẫn l = . Nh vậy tại bất kì thời
điểm no cũng có ba Transistor dẫn trong đó 2 Transistor thuộc nhóm ny với
1 Transistor nhóm kia tạo nên điện áp xoay chiều ba pha đặt lên động cơ. Thời
điểm các Transistor T1, T3, T5 v T2, T4, T6 bắt đầu dẫn lệch nhau 1200 do đó
điện áp ra của bộ nghịch lu cũng lệch nhau về thời gian một góc l 1200.
Điện áp pha của động cơ có dạng xung chữ nhật tại thời điểm các
Transistor chuyển mạch thì áp pha có đột biến nhảy cấp. Điện áp trên tải chỉ
có hai giá trị: Ud/3 (khi nó bị đấu song song với pha khác) hoặc 2Ud/3 (khi nó
đấu nối tiếp với nhóm song song kia). Điện áp dây có dạng xung chữ nhật với
độ rộng l 1200.
Dòng điện của động cơ chậm sau điện áp pha tơng ứng một góc =
arctg(L/R) có dạng xoay chiều không sin, tăng v giảm theo hm mũ.
Đồ thị xung biểu diễn trật tự đóng cắt của các Transistor v đồ thị dòng
điện tải, điện áp pha v điện áp dây nh sau:

53
Trang


UA

H×nh 4.9 då thÞ xung kÝch më Transistor vaf d¹ng ®iÖn ¸p t¶i

54
Trang



ZA

ZC

ZA

Ud

ZA

Ud
ZB

ZB

0ữ600

ZB

Ud
ZC

60ữ12

ZC

120ữ18

Hỗnh 4.10. Caùc giai õoaỷn cuớa doỡng õióỷn taới

Từ dạng điện áp ra tải ta có:
Giá trị hiệu dụng của điện áp pha:
Uf =

1 2 2
1 / 3 Ud
2.
u f d =
2. 0
0 2

2
2 / 3 2U
2

Ud
d + d d =
3

/ 3 3

Dòng diện tải có ba đoạn khác nhau trong nửa chu kỳ.
Trong khoảng từ: 0 ữ /3
ia =

ud (1 + )(2 ) / Q
e
1

3.R

1 + a3


Trong khoảng: /2 ữ /3
ib =

(1 + a )2 e / Q
ud
2

3.R
1 + a3


Trong khoảng 2 /3 ữ :
ia =

ud (1 + a )(2 a ) / Q
1
e

3. R
1 + a3


Với:
Q = RL

=


a = e 3Q

ở nửa chu kỳ sau quy luật dòng điện tơng tự nh dấu ngợc với nửa chu
kỳ trên.
Khai triển Furier điện áp dây v điện áp pha:
u AB =
uA =

2



2 3



ud (Sint 1 / 5 Sin 5t 1 / 7 Sin7t 1 / 11Sin11t )

1
1
1


ud Sint + Sin 5t + Sin7t + Sin11t
11
7
5




Tần số điện áp ra có thể dợc thay đổi bằng cách thay đổi nhịp điệu đóng
cắt của các Transistor.
55
Trang


B. TíNH TOáN MạCH ĐộNG LựC:
1. Tính toán các thông số động cơ:
- Các thông số cho trên động cơ:
fđm = 50Hz
Pđm = 0,75Kw
nđm = 1410v/phút Uđm = 380/220V

P=2
Iđm = 2/3,5A

- Các số liệu đo đợc ứng với thí nghiệm trên động cơ:
U(V)
15
10
15
I(A)
0,8
0,6
0,8

10
0,6

- Thí nghiệm không tải:

100
150
U1(V)
I(A)
0,29
0,42
P1(W)
4
12
P2(W)
2
6

340
1
94
56

202
0,53
21,2
12,8

- Thí nghiệm ngắn mạch:
UN(V)
20
30
IN(A)
0,36
0,56

Tính toán:
Điện trở Stator ở nhiệt độ 250C:
R'S =

250
0,7
38
26

40
0,81

300
0,84
88
38

50
1

60
1,2

1 4 Ui

4 1 2Ii

Trong đó: Ui; Ii: lần lợt l điện áp v dòng điện thí nghiệm trên động cơ:
R S = 1/(4.2).[15/0,8 + 10/0,6 + 15/0,8 + 10/0,6] = 8,854()
Điện trở stator ở nhiệt độ lm việc bình thờng(400C):

RS = R S + (40-25).0,04.R S = 9,385()
+Tốc độ góc định mức động cơ:
õm =2.nõm/60 = 2.1410/60 = 147,65(rad/s)
Momen định mức:
Mõm = Põm/õm = 750/147,65 = 5,083(Nm)
Công suất điện từ định mức:
Põm = .Mõm/P = 2..50.5,083/2 = 798,03(W)
Hệ số công suất:
Cos õm =

Põm
3U õm I õm

=

750

= 0, 57

3 .380.2

Hệ số trợc S:
S = 1 - (nđm/n1) = 1 - 1410/1500 = 0,061
Điện trở roto:

56
Trang


Rr = S.P(®m/3I2®m = 0,061.798,03/(3.2)2 = 4,056(()

§iÖn ng¾n m¹ch trë ®éng c¬:
RN = Rδ + Rr = 9,385 + 4,056 = 13,441(Ω)
Tæng trë ng¾n m¹ch ®éng c¬:
U SN

ZN =

3I SN

20

=

3.0,36

= 32,075(Ω)

§iÖn c¶m t¶n:
Lδ = L Sδ + L S =
Lδ =

XN
=
2πf

2
2
− RN
ZN
2πf


32,075 2 − 13, 441 2
= 0,093( H )
2.3.14.50

LSδ = 0,586.Lδ = 0,586.0,093 = 0,054(H)
Lrδ = Lδ - LSδ = 0,093 - 0,054 = 0,039(H)
Tæng trë kh«ng t¶i:
Z0 =

U0

P0 =

3
(P1 + P2 ) = 3 (4 + 2) = 5,196(W )
2
2

3I0

=

100

( Ω)

3 .0,29

C«ng suÊt t¸c dông kh«ng t¶i:

§iÖn trë kh«ng t¶i:
R0 = P0/3.I02 = 5,196/3.0,292 = 20,594(Ω)
§iÖn kh¸ng kh«ng t¶i:
X 0 = Z 02 − R 02 = 199,092 2 − 20, 594 2 = 198,02(Ω )

C¶m kh¸ng kh«ng t¶i:
L0 =

X 0 198,02
=
= 0,63( H )
2πf
2π .50

mμ L0 = LS( + Lh
C¶m kh¸ng m¹ch tõ:
Lh = L0 - Lsδ = 0,63 - 0,054 = 0,576(H)
Dßng tõ ho¸:
I μ = 2 I 0 = 2 .0, 92 = 0, 41( A)

Tõ th«ng tõ ho¸:
Ψμ = Iμ.Lh = 0,41.0,576 = 0,236(U-S)

57
Trang


KÕt qu¶ tÝnh to¸n cho c¸c sè liÖu thèng kª trong b¶ng
USN(V)
20

30
40
50
ISN(A)
0,36
0,56
0,81
1
29,20
27,86
25,14
25,55
XN(Ω)
0,093
0,089
0,080
0,081
Lδ(H)
0,054
0,052
0,047
0,045
LSδ(H)
0,039
0,037
0,035
0,033
Lrδ(H)
U0(V)
100

150
200
250
I0(A)
0,29
0,42
0,53
0,70
199,09
206,20 217,87 206,20
Z0(Ω)
P0(W)
5,20
5,91
29,43
55,48
20,6
30,0
34,9
37,4
R0(Ω)
198,02
204,17 205,04 202,7
X0(Ω)
L0(H)
0,63
0,65
0,68
0,65
Lh(H)

0,576
0,598
0,633
0,602
0,41
0,59
0,75
0,99
Iμ(A)
0,236
0,355
0,475
0,596
Ψμ(V.s)

55
1,2
22,79
0,073
0,043
0,030
300
0,84
206,20
83,17
39,3
202,4
0,64
0,597
1,18

0,71

Tõ b¶ng trªn ta cã c¸c gi¸ trÞ trung b×nh nh− sau:
5

__

Lδ =

∑L

5

SI

1

5

= 0,0834( H )

__

L0 =

∑L

0i

1


5

5

__

L sδ =

∑L δ
S

1

5

5

= 0,048( H )

__

Lh =

∑L

__

L rδ =


r

1

5

hi

1

5

= 0,60( H )

5

5

∑L δ

= 0,65( H )

= 0,0354( H )

__

Lδ =

∑L
1


5

SI

= 0,0834( H )

58
Trang


II. Tính chọn mạch động lực:
1.Tính chọn mạch chỉnh lu:
Giá trị trung bình đặt vo bộ nghịch lu:
2
U d 0.4714U d
3
3
3
Ud =
Uf =
220 = 466,7(V ) = 2,121U f
2
2
Uf =

Thực tế giá trị Ud = 466,7V l giá trị đã trừ đi xấp xỉ 2V do sụt áp trên các
Thyristor.
Vậy giá trị điện áp sau chỉnh lu l:
Ud = 466,7 + 2 =468,7(V)

Giá trị trung bình của dòng chỉnh lu:
Từ công thức: P3f = Ud.Id.
Trong đó: P3f: Công suất của động cơ.
: Hiệu suất động cơ.
Id =P3f/Ud. = 750/(468,7.0,8) = 2(A)
a. Tính chọn Thyristor:
Giá trị trung bình của dòng chảy qua mỗi Thyristor l:
I = Id/2 = 2/2 = 1(A)
Điện áp ngợc cực đại đặt lên Thyristo l:
U ng = 2 .U 2

Trong đó U2 l giá trị hiệu dụng của điện áp thứ cấp máy biến áp:
Ud =

2 2



U2 =

U 2 Cos
U d .

2 2 .Cos
468,7.
U2 =
= 520, 3( V )
2 2
U ng = 2 .520,3 = 735,8( V )


Để Thyristo lm việc an ton tin cậy ta chọn các thông số sau:
Điện áp ngợc cực đại:
Ung = Ku.735,8 = 735,8.1,6 = 1177,28V
Dòng trung bình m Thyristor chịu đợc:
It = Kmm.Ki.1 = 2,5.1,2.1 =3A
Theo sách tra cứu ta chọn loại Thyristor nh sau:
Loại C137 do hãng G.E của Mỹ chế tạo có các thông số sau:
Ung = 1200V
59
Trang


Itb= 22,3A
U = 1,3V
b. Tính chọn máy biến áp động lực:
Do máy biến áp có công suất nhỏ nên sụt áp trên nó tơng đối nhỏ cỡ vo
khoảng 5,5%, điện áp rơi trên hai Thyristor nối tiếp khoảng 3V. Do đó điện áp
chỉnh lu khi không tải l:
Ud0 = 468,7 + 468,7.0.055 +3 = 497,5(V)
Giá trị hiệu dụng điện áp thứ cấp máy biến áp lúc không tải:
U2 =

. .U d 0
2 2

=

. .497, 5

= 552, 3( V )


2 2

Tỷ số biến áp:
m = U2/U1 =552,3/220 = 2,51
Giá trị hiệu dụng dòng chảy qua cuộn thứ cấp máy biến áp:
I2 = Id = 2(A)
Giá trị hiệu dụng dòng chảy qua cuộn sơ cấp máy biến áp:
I1 = m.I2 =2,51. 2 = 5,02(A)
Công suất sơ cấp máy biến áp:
S1 = U1I1 =220.5,02 = 1104,4(VA)
Chọn mạch từ máy biến áp:
Tiết diện lõi thép máy biến áp đợc tính:
Q=K

S
C. f

Vì đây l máy biến áp khô nên ta chọn K=5
F = 50Hz
C = 1(số trụ)
Q=5

1104, 4
= 23, 49( cm 3 )
1.50

Mạch từ đợc lm từ vật liệu l tôn
Silic có tốn thất l1,3W/Kg v có trọng
lợng riêng l 7,5Kg/dm3. Mạch từ có

dạng sau:
Trụ:
- Tiết diện thô:
6.5 = 30 (cm3)
- Tiết diện hiệu quả:
30.0,95 = 28,5(cm3)
- Trọng lợng:
28,5.10-2.2.1,2.7,5 = 5,53(Kg)
Quylat:
Tiết diện thô:

30

25
120

50
180

60
150

Trang

Hỗnh 4.12. Maỷch tổỡ 60
maùy bióỳn aùp õọỹng
lổỷc


3.6 = 18 (cm3)

- Tiết diện hiệu quả:
18.0,95 = 17,1(cm3)
- Trọng lợng:
17,1.10-2.2.1,2.7,5 = 3,8(Kg)
Từ cảm:
Trong các trụ chọn Bm = 1,1Tesla
Trong các quylat chọn Bm = 1,1.28,5/17,1 = 1,73Tela
Dây quấn:
-Sơ cấp:
n1 = U1/4,44.f.Q = 220/4,44.50.23,49.10-4.1,1 = 316(vòng)
-Thứ cấp:
n2 = m.n1 =2,51.316 = 793(vòng)
-Chọn mật độ dòng điện:
J1 = J2 =J = 3A/mm2
Đờng kính dây dẫn sơ cấp:
d1 =

4.S 1



4.I 1
=
.J

=

4.5,02




= 1, 46( mm )

Đờng kính dây dẫn thứ cấp:

d2 =

4.S 2



=

4.I 2
=
.J

4.2



= 0,92(mm)

d1 = 1,62mm
d2 = 1mm
- ống quấn dây:
ống quấn dây lm bằng vật liệu cách điện, dy 1mm. Do đó chu vi của
một vòng dây
l:
2.(50 + 1 + 60 + 1) = 224(mm)

Dây quấn sơ cấp:
- Số vòng dây quấn đợc trên mỗi lớp:
n01 = 120/1,62 = 74(vòng/lớp)
Dây cuốn sơ cấp đợc chia thnh 5 lớp. Giữa hai lớp đặt giấy cách điện
dy 0,1mm.
Bề dy của dây cuốn sơ cấp:
e1 = 1,62.5 + 4.0,1 = 8,5
Chiều di trung bình của một vòng dây sơ cấp:
(50 + 60 + 8,5).2 = 273
Chiều di dây quấn sơ cấp:
Chọn dây:

61
Trang


273.316.10-3 = 74,89(m)
Điện trở dây cuấn ở nhiệt độ 75oC:
r1 = 0,0085.74,89.(1+0,004.75) = 0,72
Dây quấn sơ cấp:
Số vòng dây quấn trên mỗi lớp:
n02 = 120/1 = 120(vòng)
Thực tế ta cuốn mỗi lớp l 110 vòng dây, v dây quấn đợc quấn thnh 8
lớp, giữa hai lớp đặt lớp giấy cách điện dy 0,1mm. Để cách ly hai cuộn sơ cấp
v thứ cấp máy biến áp ta dùng loại giấy cách điện dy 8mm.
Bề dy dây quấn thứ cấp
e2 = 8.1 + 7.0,1 = 8,7mm
Chiều di trung bình một vòng dây thứ cấp
ltb2 = (50 + 60 + 8,5 + 8,7).2 = 270,4mm
Chiều di dây quấn thứ cấp

l2 = 270,4.10-3.793,16 = 214,47mạch
Điện trở dây quấn ở nhiệt độ 750C
r2 = 0,0219.214,47(1 + 0,004.75) = 6,1
Điện kháng dây quấn biến áp
X = 82.n2.r/h.[a +(e1 + e2)/3]..10-7
= 8.3,142.7932.0,067/0,115.[0,008 + (0,0085 + 0,0087)/3].314.10-7
1,2
Điện áp rơi trên điện kháng
UX = 3.X.Id/
= 3.1,2.2/3,14 (V)
Điện áp rơi trên điện trở
Ur = [r2 + r1(n2/n1)2].Id
= (6,1 + 0,82.2,512).2 = 22,53 (V)
Điện áp chỉnh lu khi đầy tải
U = Ud0 - Ux - Ur - U0 = 460,67(V)
Tổn thất trong lõi sắt từ có tính đến15% tổn thất phụ
P = 1,3.1,15.(5,13.1,12 + 3,8.0,952) = 14,4(W)
Hiệu suất của thiết bị chỉnh lu
Ud Id
=
U d I d + P + U r I d + 2 I T
497 , 4.2
=
= 0,6
497, 4.2 + 14, 4.22, 53.2 + 2.1

=

Zn = Rd2 + X 2 = 1, 22 + 11, 256 2 = 11, 32()


Tổng trở ngắn mạch
Dòng điện ngắn mạch
I2CC = U2/Zn = 552,6/11,32 = 48,8(A)
2.Tính chọn mạch lọc:
62
Trang


Do tính chất của mạch nghịch lu áp cần có mạch lọc để đảm bảo điện áp
cung cấp cho mạch nghịch lu ít thay đổi, đồng thời để trao đổi năng lợng
phản kháng với điện cảm tải. Ta cần có bộ lọc bằng tụ điện với điện dung cần

Uc
1
1
.
= 1
Um
m x .2.C.R. f m x .2.C. R. f
1
1


0,01 = 1
.
2.2.C.62, 5.50 2.2.C.62, 5.50

Kc =

thiết l:

Ta có đợc: 781250.C2 - 12500.C -1 = 0
V chọn đợc: C = 0,0159(F) = 15900((F)
3. Tính chọn mạch nghịch lu:
a.Chọn Transistor:
Điện áp UDS cực đại đặt lên Transistor l:
UDS = Ud = 468,7V
Dòng điện Id chạy qua Transistor l:
I d = 2 .I tbcl = 2 .2 = 2.82 A

Để cho Transistor lm việc an ton, tin cậy ta chọn hệ số giữ trữ:
, Ki = 1,2
Ku = 1,6
UDS = Ku .UDS = 468,7.1,6 = 749,92V
ID = Km . Ki .ID = 2,5.1,2.2,28 = 8,48A
Vậy ta chọn Transistor nh sau:
Mã hiệu
C4111

VCE(V)
1500

IC(A)
10

b. Chọn Diod:
Điện áp ngợc đặt lên Diod:
Ung = Ud = 468,7 V
Dòng điện trung bình chạy trong Diod:
Id =


( 1 + a )( 2 _ a) /
1 1 Ud
1
.e

2 0 3 R
1 + a3


d


Trong đó: = arctg(X/R) = 0,95(rad)
R = Pt/I2dm = 250/4 = 062,5
X/R = Q = 1,497
A = e-/3Q = 0,492
Id = 0,17A
Để Diod lm việc an ton, tin cậy ta chọn hệ số dự trữ:
;
Ki = 1,2
Ku = 1,6
Ung = Ku.Ung = 1,6.468,7 = 749,92V
Id = Km.Ki.Id = 2,5.1,2.0,17 = 0,51A

63
Trang


Vậy ta chọn Diod sau:
Mã hiệu

VL-10

U(V)
1500

Itb(A)
10

C. THIếT Kế MạCH ĐIềU KHIểN:
I.Thiết kế mạch điều khiển chỉnh lu:
Chức năng của mạch điều khiển l tạo ra những xung để mở các
Thyristor công suất, những xung ny có độ rộng v hình dạng nhất định, phân
bố xung theo từng pha tơng ứng, có thể thay đổi đợc thời điểm đặt xung mở
vo cực điều khiển Thyristor.
Xung mở thờng có biên độ từ 2-10V dòng điều khiển trong giới hạn nhỏ
hơn 1A. Công suất không vợt quá 10W, độ rộng khoảng 20-100s đối với thiết
bị chỉnh lu.V không nhỏ hơn 10s đối với thiết bị biến đổi tần số cao. Mạch
điều khiển còn phải đảm bảo phạm vi điều khiển góc . ở các sơ đồ biến đổi
tần thì việc mất đối xứng giữa các kênh không những lm xấu điện áp ra m
còn có thể lm cho chế độ biến đổi bị phá hủy.
Ngoi mạch điều khiển phải bảo đảm lm việc tin cậy trong mọi hon
cảnh nh khi nhiệt độ thay đổi, nguồn tín hiệu nhiễu tăng. V thiết bị phải dễ
thay thế, dễ lắp ráp v điều chỉnh.
Trong thực tế ngời ta thờng dùng hai nguyên tắc điều khiển đó l:
+ Điều khiển thẳng đứng tuyến tính.
+ Điều khiển thẳng đứng "Arccos".
Để thực hiện việc điều chỉnh vị trí xung trong nửa chu kỳ dơng của điện
áp đặt trên Thyristor. Với việc dùng bộ chỉnh lu một pha hai nửa chu kỳ dùng
Thyristor ta có thể chọn nguyên tắc điều khiển thẳg đứng "Arccos". Theo
nguyên tắc ny, ngời ta dùng hai điện áp:

+ Điện áp đồng bộ Ur vợt trớc điện áp Anôt - Katôt Thyristor một góc
bằng /2. Tức l nếu l Uak = A.Sin( t) thì Ur = BCos(t).
+ Điện áp điều khiển UC l điện áp một chiều, có thể điều chỉnh đợc biên
độ theo hai hớng dơng v âm.
Tổng đại số Ur + Uc đợc đa đến đầu vo của khâu so sánh khi m Ur +
Uc = 0 ta sẽ nhận đợc một xung ở đầu ra của khâu so sánh.
Ur + BCosx = 0
= Arccos(-Uc/B)
Ngời ta lấy B = Ucmax
Khi Uc = 0 thì = /2
64
Trang


Uc = Ucmax thì =
Uc = - Ucmax thì = 0
Tóm lại khi cho Uc biến thiên từ -Ucmax đến +Ucmax thì ta đợc sẽ biến
thiên từ 0 đến .
Để thực hiện nguyên tắc điều khiển ny ta phải có một khâu tạo ra hm:
Us = Um.Cos(t) từ hm Ur = Um.Sin(t) v phải có một khâu so sánh giữa
điện áp một chiều tức điện áp điều chỉnh với đầu ra của khâu tạo hm Cos ở
trớc.
1. Khâu tạo hm cos:
Giới thiệu về khuếch đại thuật toán:
Khuếch đại thuật toán (KĐTT) l phần tử cơ bản để xây dựng mạch điều
khiển tơng tự. Thuật ngữ KĐTT có nghĩa l nhờ mạch khuếch đại ny m ta
có thể tạo đợc các thuật toán điều khiển khác nhau. KĐTT đợc xây dựng từ
các mạch khuếch đại Transistor cơ bản có đặc tính lý tởng nh:
1/ Hệ số khuyếch đại điện áp A =
2/ Trở kháng vo Zr =

3/ Trở kháng ra Zr = 0
4/ Giải tần từ 0 đến
5/ Độ trôi điểm không bằng không
6/ Tuyến tính v Doid đối xứng.
Khuếch đại thuật toán thực tế có tham số thấp hơn so với KĐTT lý tởng,
tùy thuộc vo các loại khác nhau nh KĐTT thông dụng, KĐTT đặc biệt,
KĐTT chính xác cao hoặc KĐTT tác động nhanh v.v...
+
ỏửu
vaỡo

ỏửu
ra

+

-

Hỗnh 4.13. Mọ taớ tọứng
quaùt KTT
Thực chất của khâu tạo hm cos l khâu tích phân dùng Opam. Tín hiệu
U2 =

U
1 Um
Sint.dt = m COSt

CR
C
R


R3
C
UC
R1

-

US

+
R2
Hỗnh 4.14. Khỏu taỷo haỡm ccos sổớ
duỷng KTT
Trang

65


vo của nó l: U1 = Um Sin t thì tín hiệu của nó l:
Nếu chỉnh R1 = R2 thì ta có:
khi đó nếu R3 = Xc thì Us = Uc
Tức l: Uc = Um Sin t thì Us = Um Cos t

2. Khâu so sánh:
Khâu ny cũng sử dụng một khuếch đại thuật toán để so sánh Us với Uc l
điện áp điều khiển.
R1

US


R 2- X c2 + 2 jR3 X cIra
U s = Uc = 3
R32 + X c2

Ura

+

UCR

2

Hỗnh 4.15. Maỷch so saùnh duỡng
KTT
Nh vậy khi ta chọn Ucmax = Um/CR = 10V thì khi Uc=Us ta có Cos
=Uc/Ucmax v ở đầu ra của khâu so sánh ta nhận đợc chuỗi xung chữ nhật.
3.Sơ đồ mạch một kênh điều khiển chỉnh lu:
R2
C1

U1
R1

-

U2

R4
-


Ira

U3

+
R3

+
UCR

5

Hỗnh 4.16. Sồ õọử maỷch mọỹt kónh õióửu khióứn
chốnh lổu
Tính chọn:
Trong mạch trên các KĐTT ta chọn loại HA741 có sẵn trên thị trờng.
Các điện trở R3, R5 l các điện trở ổn định nhiệt.
Ta chọn giá trị các điện trở ổn định nhiệt nh sau: R3 = 12( K )
R5 = 4,7( K )

66
Trang


Tính chọn R2, C1:
U 1 = 12 2 Sin(t )
U2 =

Ta chọn:


Um
1 Um
Cos(t )
Sin(t ) =

.R1 .C1
C R

U c max =


Um

.C1 .R1

= 10 V

12 2
12 2
= 10 V C1R1 =
2. . f .C1.R1
10.314

Ta chọn R1 = 14( K )
12 2
C1 = 10.314
= 0,38.10 6 F
.14.10 3


Vậy ta chọn C1 = 0,47 F l tụ chuẩn.
R4 l điện trở hạn chếù dòng vo mạch so sánh.Ta chọn R4 = 4,7( K )
Để trợ giúp cho qúa trình xả của tụ C1 ta chọn R2 = 330( K )
4. Khâu phát xung chữ nhật :
Giới thiệu vi mạch IC 555 :
ở đây chúng tôi dùng vi mạch 555 của hãng Signetis sản xuất, bao gồm
hai khuếch đại thuật toán A1 v A2 thực hiện chức năng so sánh, một trigơ,
một transistor v 3 điện trở mỗi cái 5( K ).
Vi mạch 555
8

4

5K
7
5
OA1

6

S

&

G - Ground 1

5

Vcc


T - Trigger 2

6

D - Discharge

O - Out put 3

7

Th - Threshold

R - Reset

8

Z

555

5K
3

2

R

&

OA2


4

Vol tage

5K
Hỗnh 4.14

67
Trang


Vi mạch 555 có 8 chân:
1. Nối với âm của nguồn nuôi.
2. Kích lật trạng thái, khi V2 = 2E/3 thì v(3) = 0.
3. Cổng ra, v(3)min = 0,1V; v(3)max = (E-0,5)V; I(3)max = 0,2A.
4. Chân khóa, khi v(4) = 0 thì v(3) = 0. Nếu không cần khóa thì nối 4 vo
8.
5.
6.
7.
8.

Lọc nhiễu, dùng tụ điện 10nF đấu giữa chân 5 v chân 1.
Ngỡng lật, khi v(6) = 2E/3 thì v(3) = 0.
Chân phóng điện, thờng đợc nối vo chân C của mạch ngoi.
Nối với cực dơng của nguồn nuôi, E = 5-18V, tiêu thụ dòng điện
0,7mA/1V nguồn nuôi, (10mA khi E = 15V).
Khâu phát xung chữ nhật:
+5V

R1

8

4

7
R2

xP2

(1-x)P2
P1

q

555 3
6
2
1

t
5

T1

T2

C


Hình 4.18 khâu phat xung chử nhật
Giả thiết: Uc= E/3, S = 0, R = 1, v(3) =1, z = 0, T bị khóa.
Tụ điện C nạp điện thẹo mạch: E - R1 - D1 - xP2 - P 1- C1 - E. Điện áp Uc
tăng dần lên.
Khi Uc = E/3, Ta có: R= 0, z = 1, v3 = 0, T mở. Tụ điện C phóng điện theo
mạch:
C - P1- (1-x)P2 - D2 - R2 - T - C. Điện áp Uc giảm dần. Khi Uc = E/3: S = 0,
v3 =1,
z = 0, T bị khóa lại.
Xác định chu kỳ xung:
68
Trang


Khi C nạp điện ta có phơng trình:
I(R1+ xP2+ P1)+Uc = E, với i = C. duc/dt.
duc/dt + a.uc = a.E, với a = 1/(C(R1+ xP2 + P1)).
Viết phơng trình trên dới dạng toán tử Laplace:
p.Uc(p) - Uc(0) + aUc(p) = a.E/p, với Uc(0) = E/3.
U c ( p ) =

a .E
E
+
p( p + a )
3( p + a )

Vận dụng quan hệ hm ảnh gốc ta có:
E
. e at

3

U c ( t ) = E ( 1 e at ) +

Điện áp Uc tăng theo hm mũ.
Khi t = T1 thì Uc = 2E/3.Vậy: T1 = 0,693C(R1 + xP2 + P1).
Khi C phóng điện ta có phơng trình:
t

U c (t ) =

2 E 2
.e
3

Trong đó 2 = C[P1 + (1-x)P2 + R2] v lấy gốc thời gian tại T1.
Khi t =T2 thì U2 = E/3.
Do đó T2 = 0,963C[P1 + (1-x)P2 + R2]
Chu hỳ xung ra l T = 0,963C(R1 + R2 + 2P1+ P2).
Tần số xung l: f = 1/T.
Để thay đổi đợc tần số xung ra ta chỉ cần thay đổi điện áp đóng xả của tụ
điện C, bằng cách thay đổi vị trí của biến trở P1. Nếu R2 = R2 = R v x =1/2 thì
T1 = T2 ở mọi tần số. Bấy giờ T = 0,963C(2R1 + 2P1 + P2).
Để phát xung cho mạch điều khiển chỉnh lu ta chọn mạch phát xung nh
sau :
VCC
4

8
R1

7 5K

T
5

D
R
6

+
-

&

+
-

&

5K
2

UC
C

3

5K

1

69
Trang


* Hoạt động của sơ đồ :
-Điện thế cổng vo + của OA1 l 2E/3.
-Điện thế cổng vo - của OA2 l E/3. +Tụ điện C nạp điện qua R1 v
Diot D.
+Tụ điện C phóng điện qua R2 v Transistor T.
Giả thiết ban đầu UC = E/3 ; S = 0 ; R = 1 ; V(3) = 1 ; Z = 0 ;
Transistor T bị khoá. Tụ điện nạp điện, UC tăng lên theo hm mũ. Khi tụ C
nạp điện đến điện áp UC = 2E/3; R = 0 ; Z = 1 ; V(3) = 0 ; T mở. Tụ điện
phóng điện qua điện trở R2 v T, điện áp UC giảm.
+Khi UC = E/3; S = 0 ; Z = 0 ; V(3) = 1 ; T bị khoá lại.
*Xác định chu kỳ xung:
-Khi tụ điện C nạp ta có phơng trình:
duc
.
dt
duc
1
+ a.v c = a.E với a =
dt
R 1 .C

i .R 1 + u c = E

với i = C

Viết dới dạng toán tử Laplace :

p.UC (p) - UC(0) + a.UC(p) = a.E/p. với UC(0) = E/3.
a.E
E
+
U C ( p) =
.
p( p + a) 3( p + a)
Chuyển sang hm gốc:
UC(t) = E (1-e-at) + E/3.e-at .
Khi t = T1 thì UC(T1) = 2E/3. Thế vo phơng trình điện áp Uc(t) ta đợc
T1 = 0,693.C.R1.
+Khi C phóng điện ta có phơng trình:
Uc(t) = 2E / 3.e t / CR .
Khi t = T2 (lấy T1 lm gốc thời gian phóng điện), thì Uc(T2) = E/3, do đó
T2 = 0,693.C.R2.
Vậy chu kỳ xung l :
T = T1 + T2 = 0,693.C.(R1 + R2).
*Tính chọn R1, R2 v tụ C:
Để mạch chỉnh lu lm viêc tốt ta chọn :
R1 = R2 = 1( K )
C = 0,01 F
4. Khâu khuyếch đại xung:
Khâu ny có nhiệm vụ khuếch đại xung điều khiêớn, để xung ny có đủ
công suất mở Thyristor T đồng thời vừa lm mạch cách ly giữa mạch điều
khiêớn v mạch động lực.
2

70
Trang


Deleted: ả


Khâu khuếch đại xung ta có thể dùng biến áp xung hoặc bộ ghép bao gồm
hai linh kiện quang Diod - Transitor hay còn gọi l Transitor.
Mạch cách ly:

Vcc

Vdd

R0

D0

R1

T0
G

R3
T
R2

Hình 4.19 : Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly
Khối ny có tác dụng cách ly giữa mạch điều khiển v mạch động lực,
ngăn không cho điện áp phía mạch động lực "trn" vo mạch điều khiển gây
nguy hiểm. Khối cách ly nhận tín hiệu từ ngõ ra của mạch điều khiển, sau đó
khuếch đại lên điện áp có biên độ đủ lớn để kích mở Thyristor
Nguyên lý hoạt động:

Bình thờng khi cha có tín hiệu vo ngõ vo của bộ cách ly, T bị phân
cực ngợc nên hoạt động ở chế độ khóa, lm cho dòng chảy qua R0 xuống Diod
D0 bằng không nên coi nh Diod D0 không hoạt động nghĩa l T0 cũng đang
nằm ở trạng thái khóa.
Khi có ở tín hiệu mức độ cao từ khối điều khiển đa tới qua R3v kích mở
cho T, lúc ny dòng chảy qua R0 xuống Diod D0 rồi qua T xuồng mass, nghĩa l
Diod D0 hoạt động lm cho T0 cũng hoạt động, lúc ny sẽ có dòng chảy từ R1
chảy qua T0 xuống R2 tức l có điện áp rơi trên R2 v điện áp ny sẽ đa vo
cực G của Thyristor để mở.
Tính chọn các phần tử của mạch khuếch đại xung:
Để cho Thyristor mở chắc chắn ta chọn điện áp, dòng điều khiển đa vo
cực G để mở Thyristor l UG = 3V, IG = 15mA.
Ta chọn Transistor quang PT loại PC 817 có các thông số nh sau:
UCEMax = 35V; Hệ số truyền đạt 60%; Điều khiển cách ly 5Kv.
Ta có thể coi điện áp rơi trên Transistor T0, Transistor khi dẫn bảo hòa l 0,2V
điện áp rơi trên Diod D0 l 1V.

71
Trang


Chọn dòng qua R2 l IR2 = 4mA, dòng IE của T0 l :
IE = IG + IR2 = 15 + 4 = 19 (mA).
Chọn R2 :
R2 = UG / IR2 = 3 / (4.10-3) = 750 ().
Chọn R1 :
IR1 = IC = IE . = 19 . 60/100 = 11,4 (mA).
R1 = (5 - 3 - 0,2) / 11,4.10-3 = 190 ().
Chọn dòng qua D0 l 20 mA :
R0 = (5 - 1 - 0,2) / 20.10-3 = 190 ().

Chọn Transistor T loại 2SE 776 có các thông số sau :
VCemax = 75 V, ICmax = 1 A, hệ số khuếch đại = 5.
Dòng vo cực bazơ của T :
Ib = Ic / = 20 / 5 = 4 (mA).
Chọn dòng qua R 3l 20 mA :
R3 = (5 - 0,6) / (20.10-3) = 220 ().
II. Mạch điều khiển nghịch lu:
Để điều khiển các Transistor đóng mở theo yêu cầu, ta cần có mạch tạo
xung chữ nhật có độ rộng theo yêu cầu v có thể thay đổi đợc tần số của xung
ra. Yêu cầu đợc đặt ra l tín hiệu vo của mạch điều khiển l tín hiệu điện áp.
Tín hiệu của mạch điều khiển l xung chữ nhật ny l phải có tần số tỉ lệ tuyến
tính với điện áp điều khiển (U ~ f). Nghĩa l khi điện áp điều khiển tăng lên thì
tần số xung ra phải tăng lên hoặc ngợc lại điện áp điều khiển giảm xuống thì
tần số xung ra phải giảm xuống.
1. Khâu phát xung chử nhật :
a. Giới thiệu mạch biến đổi điện áp _ tần số (U/F _ VCO )
Trông mạch điều khiển biến tần , cần phải tạo mạch phát xung chữ nhật
có tần số tỷ lệ với điện áp điều khiển . Cụ thể trong điề khiển tần số động cơ
không đồng bộ , tần số điện áp hoặc dòng điện ra f1 của biến tần đợc tính
f1 = fw + f2
Trong đó: fw : tần số quay của trục động cơ
f2 : tần số trợt ở mạch rô to .
Thực tế ta tính đợc Uw ~ Fw v U2 ~ F2
Vì vậy U1 ~ F1 đợc tính
U 1 = Uw + U2

72
Trang