LỜI NÓI ĐẦU
Điện tử công suất là công nghệ biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng
khác trong đó các phần tử bán dẫn công suất đóng vai trò trung tâm , được ứng
dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại.Trong những năm gần
đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc
và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến dổi ngày càng
nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn.
Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như
những khóa bán dẫn, còn gọi là van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào
nguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy qua. Khác với các phần tử có tiếp
điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện,
không bị mài mòn theo thời gian.Tuy có thể đóng ngắt các dòng điện lớn nhưng
các phần tử bán dẫn công suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất
nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc
vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong
bộ biến đổi. Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất
cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng
kể so với công suất điện cần biến đổi.Không những đạt được hiệu suất cao mà các
bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc
tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian
ngắn nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động.
Nội dung bài tập lớn này tậ trung tìm hiểu về bộ công tắc tơ 3 pha điện từ
sử dụng thyristor để điều khiển đóng cắt động cơ 3 pha. Đây là một đề tài có quy
mô và ứng dụng thực tế cao. Trong quá trình hoàn thành bài tập lớn môn học, em
đã nhận được sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy Đặng Hồng Hải và các thầy cô
trong trường. Mặc dù em đã cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi hết khuyết
điểm. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy, cô để đồ án của em
được hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cám ơn!
1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÔNG TẮC
TƠ ĐIỆN TỬ
1.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN TỬ
1.1.1. Khái niệm
Khí cụ điện là những thiết bị, cơ cấu điện dùng để điều khiển các quá
trình sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối năng lượng điện và các dạng năng
lượng khác. Theo lĩnh vực sử d ụng, các khí cụ điện được chia thành 5 nhóm,
trong mỗi nhóm có nhiều chủng loại khác nhau.
Công tắc tơ là loại khí cụ điện dùng để thường xuyên đóng cắt các mạch
điện động lực từ xa bằng tay hoặc tự động. Công tắc tơ điện từ là loại khí cụ điện
sử dụng lực hút của cuộn dây đi qua để di chuyển bộ phận cơ khí, kéo theo các tiếp
điểm cho tiếp xúc với nhau để nối nguồn điện vào tải. Khi phải đóng ngắt các tải
dòng điện lớn thường xảy ra hiện tượng đánh lửa ăn mòn bề mặt tiếp xúc, giảm
đáng kể thời gian sử dụng của thiết bị, mặt khác do có di chuyển cơ học dẫn đến
thời gian tác động châm, nên không thể làm việc với tần suất đóng ngắt lớn. Đây là
các nhược điểm cơ bản của công tắc tơ điện từ.
Để khắc phục nhược điểm trên cần thay thế hệ tiếp điểm cơ khí bằng hệ
thống tiếp điểm, tức là phải sử dụng van điện từ, như vậy vừa loại bỏ hiện tượng
đánh nửa vừa tăng khả năng về tốc độ và tần suất đóng ngắt cũng như tuổi thọ của
thiết bị. Ứng dụng dạng này của điều áp xoay chiều gọi là công tắc tơ điện tử.
1.2. PHÂN LOẠI CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN TỬ
Công tắc tơ điện tử được chia làm 2 loại:
Công tắc tơ điện tử một pha được ứng dụng cho hệ tự động chuyển đổi
nguồn với công xuất không lớn và công nghệ hàn tiếp xúc xoay chiều.
Công tắc tơ điện tử 3pha được ứng dụng cho vùng công suất lớn hoặc cho
phụ tải ba pha như đóng ngắt và đảo chiều động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp
lại
Do mục đích của công tắc tơ điện tử chỉ dùng để đóng cắt tải không có yêu
cầu chỉnh điện áp, nên các van luôn được phát xung mở ngay ở đầu mỗi chu kỳ của

2


điện áp nguồn. Khi được cấp nguồn, điện áp trên tải là đầy đủ điện áp hình sin của
lưới, do đó không còn vấn đề song hài như khi điều chỉnh điện áp, vì vậy công tắc
tơ điện tử không bị giới hạn như với điều áp xoay chiều thông thường.
Như vậy công tắc tơ điện tử có hai nhiệm vụ chính là:
Hoặc phát xung với góc αmin để cấp toàn bộ điện áp nguồn cho tải
Hoặc không phát xung ngắt xung điều van để tất cả các van đều khóa lại
làm tải hoàn toàn bị cắt khỏi nguồn điện.
1.3. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA CÔNG TẮC TƠ
Điện áp định mức Uđm: là điện áp định mức của mạch điện tương ứng mà
mạch điện của công tắc tơ phải đóng cắt. Điện áp định mức có các cấp: 110V,
220V, 380V, 500V xoay chiều
Dòng điện định mức Iđm: là dòng điện định mức đi qua van đóng cắt công
tắc tơ trong chế độ làm việc gián đoạn lâu dài. Dòng điện định mức của công tắc tơ
hạ áp thông dụng có các cấp 10; 250; 300; 600; 800 A. Nếu công tắc tơ đặt trong tủ
điện thì dòng điện định mức phải lấy thấp hơn 10% do điều kiện làm mát kém. Chế
độ làm việc lâu dài là khi công tắc tơ ở trạng thái đóng lâu hơn 8 giờ thì dòng điện
công tắc tơ lấy thấp hơn khoảng 20% do ở chế độ này nhiệt độ tiếp điểm, tăng quá
giá trị cho phép.
Tuổi thọ của công tắc tơ: là số lần đóng cắt mà sau số lần đóng cắt ấy công
tắc tơ ấy sẽ hỏng không dùng được nữa. Sự hỏng đó có thể do mất độ bền cơ hay
độ bền điện.
Tần số thao tác: là số lần đóng cắt công tắc tơ cho phép trong một giờ.
Tính ổn định điện động: là khi công tắc tơ cho dòng điện lớn nhất đi qua
mà lực điện động sinh ra không phá hủy mạch vòng dẫn điện. Thường quy định
dòng điện ổn định điện động bằng 10Iđm.
Tính ổn định nhiệt: là khi có dòng điện ngắn mạch chạy qua thời gian cho
phép, các tiếp điểm hay các van điện từ không bị phá hủy.

1.4. YÊU CẦU KĨ THUẬT CHUNG KHI THIẾT KẾ
1.4.1. Các yêu cầu kĩ thuật
3


Độ bền nhiệt của các chi tiết bộ phận của công tắc tơ điện tử 3 pha khi làm
việc ở chế độ định mức và chế độ sự cố.
Dẫn điện tốt.
Độ bền cách điện của các chi tiết cách điện và khoảng cách cách điện khi
làm việc với điện áp lớn nhất để không xảy ra phóng điện, kéo dài trong điều kiện
môi trường xung quanh như mưa, ẩm, bụi, tuyết,…Cũng như khi có quá điện áp
nội bộ hoặc quá điện áp do khí quyển gây ra.
Độ bền cơ là giới hạn số lần thao tác đã thiết kế, thời gian làm việc ở chế
độ định mức và chế độ sự cố.
Khả năng đóng cắt ở chế độ định mức và chế độ sự cố.
Kết cấu đơn giản khối lượng và kích thước nhỏ.
1.4.2. Các yêu cầu vận hành
Chịu được ảnh hưởng của môi trường xung quanh: độ ẩm, nhiệt độ cao ….
Có độ tin cậy cao.
Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài.
Đơn giản dễ thao tác, dễ sửa chữa, thay thế.
Chi phí vận hành ít, tiêu tốn ít năng lượng.
1.4.3. Các yêu cầu về kinh tế, xã hội
Giá thành thấp, có tính thẩm mĩ cao.
Vốn đầu tư khi thiết kế, chế tạo, lắp ráp, vận hành ít.
Tạo điều kiện dễ dàng, thuận tiện cho người vận hành.
An toàn trong lắp ráp vận hành.
1.4.4. Các yêu cầu công nghệ chế tạo
Tính công nghệ của kết cấu: dùng các chi tiết, cụm quy chuẩn.
Lưu ý khả năng chế tạo: mặt bằng sản xuất, đặc điểm tổ chức sản xuất, khả

năng của thiết bị.
Khả năng phát triển chế tạo, lắp ghép vào các tổ hợp khác.
1.5. CẤU TẠO CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN TỬ BA PHA
Cấu tạo công tắc tơ điện tử 3 pha gồm các phần chính sau đây:
4


Hệ thống phát xung chùm điều khiển công tắc tơ (bao gồm các mạch tạo
xung sử dụng ic NE555, mạch tạo xung đơn, mạch khuếch đại xung, biến áp xung)
Hệ thống đóng cắt tiếp điểm mạch lực của công tắc tơ sử dụng van điện tử
thyristor.
1.6. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN TỬ BA
PHA
Khi chưa cấp nguồn vào mạch điều kiển các van điện từ (thyristor ở trạng
thái khoá) không cho dòng điện đi qua mạch lực. Khi cấp nguồn vào mạch điều
khiển sẽ phát ra xung dao động dạng chùm tác động vào các van khoá điện từ lúc
này các van khó chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở cho dòng điện đi qua
các van điện từ cấp nguồn cho động cơ hoạt động.
Khi ta ngắt xung từ mạch phát xung cấp vào các van thì các van điện từ sẽ
tự động khoá lại không cho dòng điện chay qua làm động cơ dừng hoạt động.
Ưu điểm của công tắc tơ điện tử là đóng cắt nhanh, không làm suất hiện
hiện tượng hồ quang điện, tần số đóng cắt lớn, tuổi thọ của thiết bị cao hơn so với
công tắc tơ điện từ nhưng có nhược điểm là cấu tạo phức tạp khó sửa chữa khi xảy
ra hỏng hóc.

5


CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ
2.1. GIỚI THIỆU VỀ THYRISTOR

Cấu tạo
Thyristor hay Tirixto là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn,ví dụ
như P-N-P-N, tạo ra ba lớp tiếp giáp P-N: J1,J2,J3.
Thyristor có ba cực: anode (A), catode (K) và cực điều khiển (G) như được
biểu diễn trong hình vẽ.

Hình 2.1. Cấu tạo, ký hiệu của thyristor
Không có dòng điện vào cực điều khiển (Ig = 0)
Khi dòng điện vào cực điều khiển của thyristor bằng 0, hay khi hở mạch
cực điều khiển, thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực
điện áp giữa anode và catode. Khi điện áp Uak < 0 theo cấu tạo bán dẫn của
thyristor hai tiếp giáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp tiếp giáp J2 phân cực thuận,
như vậy thyristor sẽ giống như hai điốt mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua
thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Khi Uak tăng
đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất sẽ xảy ra hiện tượng thyristor bị đánh thủng,
dòng điện có thể tăng lên rất lớn. Giống như ở đoạn đặc tính ngược của điốt quá
trình đánh thủng là không thể đảo ngược được, nghĩa là thyristor đã bị hỏng.
Khi tăng điện áp anode-catode theo chiều thuận, Uak > 0, lúc đầu cũng chỉ
có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương đương mạch
anode-catode vẫn có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân
cực ngược. Cho đến khi Uak tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất sẽ xảy ra
hiện tượng điện trở tương đương mạch anode-catode đột ngột giảm, dòng điện có
thể chạy qua thyristor và giá trị sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở tải ở mạch ngoài.
Nếu khi đó dòng qua thyristor có giá trị lớn hơn một mực dòng tối thiểu, gọi là
6


dòng duy trì, Idt, thì khi đó thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận, giống
như đường đặc tính thuận của điốt.
Có dòng điện vào cực điều khiển (Ig > 0)

Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và catode thì quá trình
chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện
áp thuận đạt giá trị lớn nhất. Nói chung nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm
chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với Uak nhỏ hơn.
Mở thyristor
Khi được phân cực thuận, Uak>0, thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ
nhất, có thể tăng điện áp anode-catode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn
nhất, Uthmax. Điện trở tương đương trong mạch anode-catode sẽ giảm đột ngột và
dòng qua thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định. Phương pháp này trong
thực tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải
lúc nào cũng tăng được điện áp đến giá trị Uthmax. Hơn nữa như vậy xảy ra
trường hợp thyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm
ngẫu nhiên, không định trước.
Phương pháp thứ hai, được áp dụng trong thực tế, là đưa một xung dòng
điện có giá trị nhất định vào các cực điều khiển và catode. Xung dòng điện điều
khiển sẽ chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở
mức điện áp anode-catode nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anode-catode lớn hơn một giá
trị nhất định gọi là dòng duy trì (Idt) thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn
dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển. Điều này nghĩa là có
thể điều khiển mở các thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do
đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực
mà thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện.
Các thông số cơ bản
Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor Iv,tb
Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện
nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá một giá trị
nhiệt độ cho phép. Trong thực tế, dòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ
thuộc vào điều kiện làm mát và môi trường. Có thể làm mát tự nhiên nhưng hiệu
suất không cao, vì thế với yêu cầu cao hơn người ta làm mát cưỡng bức thyristor
bằng quạt gió hoặc bằng nước, tuy nhiên điều này có thể khiến kích thước thiết bị

tăng đáng kể, dùng cho các thiết bị có công suất lớn. Nói chung có thể lựa chọn
dòng điện theo các điều kiện làm mát như sau
Làm mát tự nhiên: dòng sử dụng cho phép tới một phần ba dòng cho phép
Ivtb.
Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: dòng sử dụng cho phép bằng hai phần
ba dòng cho phép Ivtb.
7


Làm mát cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng đến 100% dòng Ivtb.
Điện áp ngược cho phép lớn nhất Ungmax
Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên thyristor. Trong các
ứng dụng phải đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa anode và catode
Uak luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ungmax. Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất
định về điện áp, nghĩa là Ungmax phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 - 1,5 lần giá
trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ.
Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor τ(μs)
Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anode và catode của
thyristor sau khi dòng anode-catode đã về bằng không trước khi lại có thể có điện
áp Uak dương mà thyristor vẫn khóa. τ là một thông số quan trọng của thyristor.
Thông thường phải đảm bảo thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5-2 lần
τ.
Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/μs)
Thiristor là một phần tử bán dẫn có điều khiển, có nghĩa là dù được phân
cực thuận (Uak>0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép
dòng chạy qua. Khi thyristor phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp
giáp J2 như hình vẽ.
Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dày của nó mở ra, tạo ra vùng
không gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua. Vùng không gian này có
thể coi như một tụ diện có điện dung Cj2. Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn,

dòng điện của tụ có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển. Kết
quả là thyristor có thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G.
Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với
thyristor tần số cao. Ở thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 V/μs còn
với các thyristor tần số cao dU/dt có thể lên tới 500 đến 2000 V/μs.
(tham khảo 2)
Tốc độ tăng dòng cho phép dI/dt (A/μs)
Khi thyristor bắt đầu mở không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán
dẫn của nó đều dẫn dòng đồng đều. Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một vài điểm,
gần với cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ
tiết diện. Nếu tốc độ tăng dòng điện quá lớn có thể dẫn tới mật độ dòng điện ở các
điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá nhanh dẫn đến hỏng cục bộ, từ
đó dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn.
Tốc độ tăng dòng cho phép ở các thyristor tần số thấp vào khoảng
50÷100A/μs, với các thyristor tần số cao dI/dt vào khoảng 500÷2000A/μs. Trong
các bộ biến đổi phải luôn có các biện pháp đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới giá trị
cho phép. Điều này đạt được nhờ mắc nối tiếp các phần tử bán dẫn với các điện
kháng nhỏ, lõi không khí hoặc đơn giản hơn là các xuyến ferit lồng lên nhau. Các
xuyến ferit rất phổ biến vì cấu tạo đơn giản, dễ thay đổi điện cảm bằng cách thay
8


đổi số xuyến lồng lên thanh dẫn. Xuyến ferit còn có tính chất của cuộn cảm bão
hòa, khi dòng qua thanh dẫn còn nhỏ điện kháng sẽ lớn để hạn chế tốc độ tăng
dòng. Khi dòng đã lớn ferit bị bão hòa từ, điện cảm giảm gần như bằng không. Vì
vậy cuộn kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức chạy qua
dây dẫn.
2.2. MẠCH LỰC

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý công tắc tơ điện tử 3 pha.

2.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
2.4. TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ
Thông số:
Nguồn điện 3 pha, điện áp 3pha U= 400V – 50Hz
Công suất định mức 20Kw
2.4.1. Dòng điện
Dòng điện mỗi pha của phụ tải:
It =

=

= 28,26 (A)

2.4.2. Chọn van:
Các van trong mạch chỉnh lưu công suất thường phải làm việc với dòng
điện lớn, điện áp cao,công suất phát nhiệt trên nó khá mạnh,vì vậy việc tính chọn
van cần quan tâm trước tiên tới hai chỉ tiêu chính:
9


Chỉ tiêu về dòng điện.
Chỉ tiêu về điện áp.
Chọn van theo chỉ tiêu dòng điện
Theo sổ tay tra cứu chọn van theo nguyên tắc:
=

.

Trong đó: -


:dòng trung bình của van được chọn.

-

:hệ số dự trữ về dòng điện cho van.

Với tải ổn định và dòng qua van dưới 100A chỉ cần có

= 1,2÷1,4.

Với tải dòng điện lớn, do sự phát nhiệt trên van mạnh, thường phải giảm
dòng qua nó nên cần tăng hệ số dự trữ lên

= 1,5÷2

Với van thường xuyên phải làm việc ở chế độ quá tải cần

= 2÷4

Nếu làm việc ở nơi có môi trường khắc nhiệt, khó thay thế van thì phải
chọn hệ số dự trữ từ 5 đến 8.
Các van chịu dòng lớn nhưng làm việc ở chế độ ngắn hạn thi có thể chọn từ
0,8 đến 1.
Với các dữ kiện để phù hợp với thông số đề bài nên ta chọn:

= 1,2

Phải chọn thỷistor ít nhất chịu được dòng trung bình:
Chọn chỉ tiêu dòng van dựa vào trị số trung bình theo bảng 2.2
Itbv = 0,45.It = 0,45.15.19 = 6,48 (A)

Vậy cần chọn van thyristor với trị số dòng điện cỡ:
Itbmax = 2Itbv = 2.6,84 = 14 (A)
Chọn van theo chỉ tiêu điện áp
Chỉ tiêu chọn áp vẫn theo bảng 2.2 ta có:
10


Uvanmax = 1,5.Upha = 1,5.
Vậy cần chọn thyristor chịu điện áp khoảng:
Uthy = 2Uvanmax = 2.466,7 = 933,4 (V)
van

= arcsin (

.

) = arcsin (

.

)=4

Ta chọn được 6 thyristor loại: T 10 – 20 do Nga chế tạo có các thông số
sau:
Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chảy qua thyristor trong điều
kiện chuẩn: Itb = 20A
Trị số biên độ dòng điện dạng sin cho phép một lần qua van, sau đó phải
ngắt điện áp đặt trên van: Iđỉnh = 613 A.
Dòng điện rò khi van ở trạng thái khóa: Irò = 3 A.
Cấp điện áp 1200v.

Cấp du/dt = 6 phân cấp theo tốc độ tăng điện áp thuận lớn nhất đặt lên van
mà van sẽ gây hiện tượng tự dẫn không cần dòng điều khiển.
Cấp tph = 4 phân cấp theo thời gian phục hồi tính chất khóa van.
Cấp di/dt = 5 cấp theo tốc độ tăng dòng lớn nhất qua van mà van không bị
đánh thủng.
U = 1,75V sụt áp thuận trên van ở dòng định mức.
Uđk = 3V điện áp điều khiển nhỏ nhất đảm bảo dòng điều khiển mở van.
Iđk = 75mA dòng điện điều khiển nhỏ nhất đảm bảo mở được van.
2.5. Tính toán bảo vệ mạch lực
Trong bộ chỉnh lưu, phần tử kém khả năng chịu được các biến động mạnh
về điện áp và dòng điện chính là các van bán dẫn.Vì vậy việc bảo vệ mạch lực chủ
yếu là bảo các van bán dẫn khỏi hai trạng thái: quá dòng và quá điện áp.
2.5.1. Bảo vệ quá dòng
Bảo vệ bằng cầu chì
11


Cầu chì dùng để chống sự cố ngắn mạch, nhưng để bảo vệ được van phải
có độ tác động nhanh. Cầu chì hay được đặt trực tiếp cho từng van lực.Chọn cầu
chì tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các van bán dẫn.
Dòng điện định mức dây chảy là:
I1CC = 1,1.I2=1,1.28,86= 31,75A.
Chọn được cầu chì loại GSB20 với thông số: Iđm = 20A và Uđm = 600AC;
400DC.
Bảo vệ bằng Aptomat
Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và
ngắn mạch van.
Chọn aptomat có 3 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng
nam châm điện.
Chọn aptomat bảo vệ:

Iđm = k.I1 = 1,1.

.I = 1,1.

.28,86 = 54A.

Với I1 - là dòng điện cho tải.
k - Hệ số an toàn.
Chọn Aptomat hãng LG .Mã ký hiệu:BKN 32C.Có các thông số sau:
Dòng định mức:32A
Khả năng cắt: 6kA/400VAC.
Độ bền: 6000 lần vận hành.
Tiêu chuẩn: IEC 60898.
2.5.2. Bảo vệ quá điện áp cho van
Linh kiện bán dẫn nói chung và linh kiện bán dẫn công suất nói riêng, rất
nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp. Những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới van
bán dẫn mà ta cần có phương pháp bảo vệ là:
Điện áp đặt vào van lớn quá thông số của van.
Xung điện áp do chuyển mạch van.
12


Xung điện áp từ phía từ phía lưới điện xoay chiều, nguyên nhân thường gặp
là do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây.
Xung điện áp do cắt đột ngột máy biến áp non tải.
Để bảo vệ cho van làm việc dài hạn không bị quá điện áp thì ta phải chọn
đúng các van bán dẫn theo điện áp ngược.

Hình 1.6. Bảo vệ quá điện và bảo vệ xung điện áp cho van.
Để bảo vệ quá điện áp của xung điện áp do quá trình đóng cắt các van bán dẫn

được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với thyristor. Khi có sự cố chuyển
mạch, các điện tích trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược
trong khoảng thời gian ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây
ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, làm cho quá điện áp giữa
anot và catot của van.Khi có R-C mắc song song với van, tao ra mạch vòng phóng
điện tích trong quá trình chuyển mạch nên van không bị quá điện áp.
Theo kinh nghiệm R1 = (5

) Ω, C1 = (

Ta chọn: R1 = 10 ; C1 = 0,3

.

)µF;

-Để bảo vệ cho xung điện áp từ lưới, ta mắc song song với tải ở đầu vào một
mạch R – C nhằm lọc sung. Khi xuất hiện xung điện áp trên đường dây, nhờ có
mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây.
Trị số R, C phụ thuộc nhiều vào tải.
Theo kinh nghiệm R2 = (5

30) Ω; C2 = 4 µF;

Ta chọn: R1 = 12,5 Ω ; C1 = 4µF;

13


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN


3.1. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐIỂU KHIỂN TỔNG QUÁT
3.1.1. Nguyên lý thiết kế mạch điều khiển
Thyristor chỉ mở khi có hai điều kiện:
Điện áp (+) đặt vào đầu A
Điện áp (-) đặt vào đầu K
Xung điều khiển đặt vào đầu G.
Khi Tiristor đá mở thì xung điều khiển không còn tác dụng nữa.
Điều khiển được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kì dương của
điện áp đặt lên A-K của Tiristor.
Tạo ra xung phải có đủ điều kiện mở,độ rộng xung t x= 20-100μs đối với
thiết bị chỉnh lưu hoặc cặp Tiristor đấu song song ngược, có biên độ từ 2 đến 10V.
Độ rộng xung được xác định theo biểu thức:
tx =

I dt
di
dt

Trong đó:
Idt: là dòng duy trì của Thyristor;
di/dt: là tốc độ tăng trưởng của dòng tải.
3.1.2. Sơ đồ khối mạch điều khiển
Cấu trúc của một mạch điều khiển Thyristor gồm 3 khâu chính sau đây:
Khâu đồng pha: tạo tín hiệu đồng bộ với điện áp anôt-catôt của Thyristor
cần mở. Tín hiệu này là điện áp xoay chiều, thường lấy từ biến áp có sơ cấp nối
song song với Thyristor cần mở.
14



Khâu khuếch đại xung (KĐ): tạo ra xung mở có đủ điều kiện để mở
Thyristor.

Uđb

ĐB

SS-TX

KĐ

Uđk

Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor

3.2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN
3.2.2. Nguyên lý điều khiển thẳng đứng
Ngyên tắc điều khiển thẳng đứng acrcoss
Theo nguyên tắc này, ở khâu so sánh có hai điện áp đặt vào:
Điện áp đồng bộ sin, sau khi ra khỏi khâu ĐB được tạo thành tín hiệu cos.
Điện áp điều khiển là áp một chiều có thể biến đổi được
Uc
Udb

Udb
Udk

Uc
Л


Udk
2Л

ωt

α

Điện áp uđb= Um sinωt thì: Uc = Um cosωt
Giá trị α được tính theo phương trình sau: Umcosα = Uđk
Do đó:

α = arccos (Udk/Um)

Khi Udk = Um thì

α=0

Khi Udk = 0 thì

α =Л/2

Khi Udk = -Um thì

α=Л
15


Như vậy, khi điều chỉnh Udk từ trị -Um đến +Um, ta có thể điều chỉnh được
góc α từ 0 đến Л.
Ngyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính.

Khi điện áp xoay chiều hình sin được đặt vào Anot của thyristor, để có thể
điều khiển được góc mở α của Tiristor trong vùng điện áp dương Anot ta cần tạo
ra một điện áp tựa dạng tam giác gọi là điện áp răng cưa. Điện áp tựa cần có trong
vùng điện áp dương Anot.
Để điều khiển được góc mở α của Thyristor ta dùng một điện áp điều khiển
Uđk so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm Uđk=Urc thì phát xung điều khiển.
Thyristor được mở từ thời điểm phát xung đến cuối bán kỳ (hoặc tới khi dòng qua
Tiristor bằng không).
Nhận xét:
Ta chọn nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính vì đơn giản nhưng vẫn phù
hơp nhu cầu thiết kế.
3.3. Tính toán các khâu điều khiển
3.3.1 Khâu đồng pha
Sơ đồ dùng khuếch đại thuật toán (OA)

Hình 3.2. Sơ đồ khâu tạo đồng pha
Nguyên lý: ở nửa chu kỳ dương của điện áp đồng pha, điện áp ra của OA1
có dạng xung dương hình chữ nhật, ở nửa chu kỳ âm của điện áp đồng pha, thì điện
áp ra sau OA1 là âm không tạo ra xung dương hình chữ nhật nhưng được cổng
logic not đảo nên nó tạo ra xung dương hình chữ nhật cấp tín hiệu cho mạch điều
khiển. Ở chu kỳ sau tương tự ta có điện áp tựa hình răng cưa như hình vẽ.

16


Đặc điểm của sơ đồ dùng OA là gọn nhẹ, dạng xung răng cưa có chất
lượng cao , đảm bảo đồng pha với điện áp nguồn, do đó tạo điều kiện mở Tiristor
một cách chính xác, dễ đối xứng ở các kênh điều khiển. Sơ đồ ưu việt hơn hẳn các
sơ đồ khác về các chỉ tiêu kỹ thuật. Ta chọn sơ đồ này làm khâu đồng pha cho
mạch điều khiển.

Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào cổng logic được chọn như sau:
Chọn R2 thoả mãn điều kiện: R2 ≥ UN Max/IB ≈ 12/0,4. 10-3 = 30 (kΩ)
Chọn R2 = 30 (kΩ)
Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: UA =9(v).
Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán OA 1, thường
chọn R1 sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán Iv < 1mA. Do đó:
R1 > UA/I v = 9/ 1.10-3 = 9 (KΩ)
Chọn R1 = 10 (kΩ).
3.3.2 Khâu khuếch đại xung
Tầng khuếch đại cuối cùng có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor,
nó thường được thiết kế bằng Transistor công suất mắc theo sơ đồ darlington như
hình vẽ:

+15V

C
•

R

T

Tr
BAX

•

Hình 3.3. mạch khuếch đại xung
17



Để có dạng xung kim gửi tới Thyristor, ta dùng biến áp xung (BAX), để có
thể khuếch đại công suất ta dùng transistor mắc theo sơ đồ darlington. Diode bảo
vệ Transitor và cuộn dây sơ cấp BAX khi Transistor khoá đột ngột đồng thời xả
ngược cho tụ C. Tụ C trong sơ đồ này có tác dụng giảm dòng để giảm công suất
toả nhiệt cho Transistor và giảm kích thước dây BAX. Transistor chỉ mở cho dòng
điện chạy qua trong thời gian nạp tụ.
3.3.3 Khâu tạo xung chum
Để giảm công suất cho tầng khuếch đại và tăng số lượng xung kích mở
nhằm đảm bảo Tiristor mở chắc chắn ta thêm bộ phát xung chùm vào trước tầng
khuyếch đại. Tín hiệu từ bộ tạo xung chùm và tín hiệu từ khâu so sánh được đi vào
cổng AND rồi chuyển sang tầng khuyếch đại.

Hình 3.4. Mạch tạo xung chum dùng IC 555
Có nhiều sơ đồ tạo xung chùm trên đây ta sử dụng mạch tạo xung dùng IC
555 có ưu điểm là đơn giản và cho chất lượng xung khá tốt.
Điện áp nguồn nuôi:

Vcc = 5 (V)

3.3.4 Khâu biến áp xung
Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên
một phần của đặc tính từ hoá có: ∆B = 0,3 (T), ∆H = 30 ( A/m ), không có khe hở
không khí.
Tỷ số biến áp xung: thường m = 2÷3, chọn m= 3
Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung:

U2 = Udk =2,5 (V)

Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = m.U2 = 3.2,5 = 7,5 (V)

18


Dòng điện thứ cấp biến áp xung:

I2 = Idk = 0,2 (A)

Dòng điện sơ cấp biến áp xung:

I1 = I2 /m = 0,2/3=0,066(A)

Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt:
µ tb =

∆B
= 8.10 3 ( H )
m
∆H .µ 0

Trong đó: µ0 = 1,25.10-6 (H/ m) là độ từ thẩm của không khí
Thể tích của lõi thép của lõi thép cần có:
V= Q.L = (µtb.µ0.tx.sx .Ul.Il)/ ∆B2
Thay các giá trị vào biểu thức tính thể tích lõi thép ta được:
V= 1,39.10-6 (m3 ) = 1,39 ( cm3 ).
Chọn mạch từ có thể tích V= 1,4 (cm 3 ). Với thể tích đó ta có kích thước
mạch từ như sau:
a = 4,5 mm;

b = 6 mm;


d = 12 mm;

D = 21 mm;

Q = 0,27 cm2 = 27 mm2;
Chiều dài trung bình mạch từ: l = 5,2 (cm)
Số vòng quấn dây sơ cấp biến áp xung:
Theo định luật cảm ứng điện từ:
U1 = w1 .Q.dB/dt = w1.Q.∆B/tx
Do đó:
W1 =

U 1t X
= 154(vòng)
∆B.Q

Số vòng dây thứ cấp:
W2 = w1 / m = 154/3 = 51,33 (vòng )
19


Lấy:

W2 = 52 (vòng)

Tiết diện dây quấn thứ cấp:
S1 = I1 /J1 = 66,6.10-3/6 = 0,0111 (mm2 )
Chọn mật độ dòng điện J1 = 6 (A/mm2 )
+ Đường kính dây quấn sơ cấp:


4S1
= 0,1189 (mm)
π

d1 =

Chọn d = 0,12 (mm)
+ Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = I2 / J2 = 0,1/4 = 0,05 (mm2 )
Chọn mật độ dòng điện J2 = 4 (A/mm2)
+ Đường kính dây quấn thứ cấp: d1 =

4S 2
= 0,2532 (mm)
π

Chọn dây có đường kính d2 =0,27 (mm)
+ Kiểm tra hệ số lấp đầy:
S1.W 1 + S 2W 2

Kld =

(π . d

4

=

=

d


2
112

2

)
2

.W 1 + d 2 W 2
d2

0,12 2.154 + 0,27 2.52
= 0,028
12 2

Như vậy, cửa sổ đủ diện tích cần thiết.
Tầng khuếch đại cuối cùng
Chọn Tranzitor công suất loại Tr3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có
các thông số
Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn là Si.
Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito:

UCBO =40(v)
20


Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto:

UEBO =4(v)


Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng:

Icmax = 500 (mA).

Công suất tiêu tán ở colecto:

Pc = 1,7 (w)

Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp:

T1 = 1750 C

Hệ số khuếch đại:

β = 50

Dòng làm việc của colecto:

Ic3 = I1 =33,3

Dòng làm việc của Bazơ:
=0,66(A)

IB3 =Ic3 /β = 33,3/50

Ta thấy rằng với loại Tiristo đã chọn có công suất điều khiển khá bé U dk = 2,5
(V), Idk = 0,2 (A), Nên dòng colecto - Bazơ của Tranzito I r3 khá bé, trong trường
hợp này ta có thể không cần Tranzito I2 mà vẫn có đủ công suất điều khiển
Tranzito.

Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E = + 12 (V) ta phải mắc thêm điện trở
R10 nối tiếp với cực emitor của Ir3, R1.
R10 = (E-U1)/I1 = 68,18 (Ω)
Chọn R10 = 70 (Ω)
Tất cả các điôt trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có tham số:
+ Dòng điện định mức

: Idm = 10 (A)

+ Điện áp ngược lớn nhất

: UN = 25 (v),

+ Điện áp để cho điôt mở thông
3.3.5 Chọn cổng AND
Toàn bộ mạch điện phải dùng 3 cổng AND nên ta chọn IC 74HC11 họ
CMOS. Mỗi IC 74HC11 có 3 cổng ADN, các thông số:
Nguồn nuôi IC: Vcc = 3÷9 (V), ta chọn: Vcc = 5 (V).
21


Nhiệt độ làm việc: - 40o C ÷ 80o C
Điện áp ứng với mức logic “1”: 2÷4,5 (V).
Dòng điện nhỏ hơn 1mA
Công suất tiêu thụ P=2,5 (nW/1 cổng).

Hình3.5. IC 74HC11
3.3.6. Chọn cổng logc NOT
Toàn bộ mạch điện phải dùng 3 cổng NOT nên ta chọn CMOS. Mỗi IC
74HC11.

3.3.7. Sơ đồ mạch điều khiển
Mạch điều khiển một pha là sơ đồ có được do ta ghép các khâu cơ bản đã
chọn. Ngoài ra còn có một số phần phải hiệu chỉnh thêm cho phù hợp với khả
năng làm việc của Tiristor và phù hợp với điều kiện cấp xung đồng thời cho cả hai
Tiristor.
Biến áp đồng pha là biến áp có hai cuộn dây bên phía sơ cấp giống hệt nhau
để đảm bảo không gây mất đối xứng khi điều khiển hai Tiristor

22


Hình 3.6. Mạch điều khiển công tắc tơ điện tử 3 pha
Nguyên lý hoạt động
Điện áp đồng pha với điện áp vào được đưa vào cổng logic AND1, AND3,
AND5 với một điện áp dương. Tín hiều ra được phần dương của điện áp UA, UB, Uc
đươc kết hợp với bộ phát xung chùm dùng IC 555 và xung tín hiệu điều khiển qua
bộ khuếch đại qua BAX, BAX3, BAX5 cấp xung tín hiệu điều khiển cho thiristor
T1, T3, T5 mở khóa cho dòng điện một chiều chạy qua. Việc kéo điện áp này để
đảm bảo điện áp điều khiển đồng biến với điện áp ra.
Điện áp đồng pha với điện áp vào được đưa vào các cổng logic AND2,
AND4, AND6 với một điện áp âm nhưng đã được đảo ngược lại thành tín hiệu
dương thông qua các cổng logic đảo NOT1, NOT2, NOT3. Tín hiệu được kết hợp
với tín hiệu xung của bộ phát xung và tín hiệu điều khiển cung cấp xung cho mạch
khuếch đại xung qua BAX2, BAX4, BAX6 cấp tín hiệu xung cho thyristor T2, T4,
T6 mở khóa cho dòng điện chạy qua. Hai chu kì dòng điện lặp đi lặp lại làm cho
23


dòng điện chạy qua các cặp van tuần với dòng điện xoay chiều điện áp 380v. Khi
ta muốn công tắc tơ đóng không cho dòng điện chạy qua ta chỉ cần ngắt tín hiệu

xung điều khiển lúc này các cổng logic AND thiếu một phần tử xung nên sẽ dừng
hoạt động cấp xung cho các van, lúc này các van sẽ quay trở về trạng thái đóng.
Tính toán các thông sô mạch điều khiển.
Sơ đồ điều khiển của công tắc tơ điện tử được thiết lập theo sơ đồ hình 3.6
Để tính toán mạch điều khiển ta tiến hành tính ngược từ tầng khuếch đại trở
lên.
Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor. Các
thông số cơ bản để tính mạch điều khiển.
Điện áp điều khiển Tiristo:

Udk = 2,5 (V)

Dòng điện điều khiển Tiristo:

Idk = 0,2 (A)

Thời gian mở Tiristo:

tm = 40 (µs)

Độ rộng xung điều khiển:

tx = 167 (µs) tương đương 3ođiện.

Tần số xung điều khiển:

fx = 1/tx.2 = 3 (k Hz).

Độ mất đối xứng cho phép:


∆α = 40

Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U= ±12 (v)
Mức sụt biên độ xung:

Sx = 0,15

24


3.8. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB

Hình 3.7. Hình mô phỏng bằng công cụ Simulink
Qua thời gian nghiên cứu và làm đề tài xây dựng mạch công tắc tơ điện tử
3 pha . Em đã có thời gian để nghiên cứu và tìm hiểu thực tế về mạch chỉnh lưu có
điều khiển thấy được các vấn đề khó khăn khi ứng dụng thiết kế mạch trên thực tế.
Trong đề tài này em đã thực hiện được một số điều sau:
Tìm hiểu về các mạch chỉnh lưu có điều khiển
Xây dựng được mô hình mạch công tắc tơ điện tử ba pha
Qua việc tìm hiểu và xây dựng mạch em đã có thêm kiến thức cơ bản về
việc xây dựng mạch lực, biết cách tính toán chọn và lắp đặt các van bán dẫn trong
mạch thực tế
Mô phỏng các mạch bằng công cụ Simulink trong phần mềm Matlab
Tuy nhiên vẫn còn rất sai sót và các vấn đề chưa hoàn thành được
-

Chưa xây dựng được mạch điều khiển cho mạch công tắc tơ ba pha
Thiết kế mạch thiếu tính thẩm mĩ và khá cồng kềnh
Các tính toán thiết kế các thông số mạch chưa hoàn toàn khớp với thực tế
Chưa thể cấp nguồn kiểm nghiệm mạch thực tế

Tài liệu tham khảo
25