Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các hệ thống truyền động điện công nghiệp, việc điều khiển và duy trì tốc độ quay của động cơ một cách ổn định, chính xác đóng vai trò quyết định đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Mặc dù hệ thống truyền động xoay chiều ngày càng phát triển nhờ cấu tạo động cơ đơn giản, động cơ điện một chiều (DC) kích từ độc lập vẫn giữ vị trí then chốt tại các cơ cấu công nghiệp đòi hỏi dải điều chỉnh tốc độ rộng, liên tục và êm thuận như máy cán thép, máy công cụ công suất lớn hay đầu máy điện. Để điều chỉnh tốc độ động cơ DC, các hệ thống truyền động truyền thống trước đây thường sử dụng máy phát - động cơ (hệ F-Đ) hoặc bộ khuếch đại từ, vốn cồng kềnh, tổn hao năng lượng lớn và khó tự động hóa. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử công suất với các phần tử bán dẫn đã tạo ra giải pháp thay thế hiệu quả thông qua các bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được giao tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật (Đà Nẵng), mã lớp học phần 222DADTCS2004, hoàn thành vào tháng 3 năm 2023. Đề tài do nhóm sinh viên gồm Đoàn Anh Văn, Nguyễn Quang Vinh và Vũ Quang Trường thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Võ Khánh Thoại, với tên đề tài chính thức: "Thiết kế bộ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập".

Mục tiêu và các nhiệm vụ kỹ thuật ban đầu được xác định cụ thể theo các thông số:

  1. Nguồn cấp: Nguồn điện lưới xoay chiều 3 pha $220/380\text{ V}$, tần số công nghiệp $f = 50\text{ Hz}$.
  2. Tải động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
    • Công suất định mức: $P_{đm} = 12,5\text{ kW}$.
    • Điện áp định mức phần ứng: $U_{đm} = 220\text{ V}$.
    • Tốc độ quay định mức: $n_{đm} = 1000\text{ vòng/phút}$.
    • Hiệu suất định mức: $\eta_{đm} = 0,84$.
    • Dải điều chỉnh tốc độ yêu cầu: $D = 20$.
  3. Các hệ số dự trữ tính toán:
    • Hệ số dự trữ điện áp: $K_u = 1,5 \div 1,8$ (chọn $K_u = 0,9$ khi tính chọn van).
    • Hệ số dự trữ dòng điện: $K_i = 1,1 \div 1,4$ (chọn $K_i = 1,2$).

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán, thiết kế lý thuyết và lựa chọn cấu hình mạch động lực bao gồm máy biến áp lực, van bán dẫn Thyristor và cuộn kháng san bằng dòng điện cho một động cơ DC cụ thể, phục vụ hệ truyền động một chiều làm việc trong phạm vi phụ tải cho phép.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu dựa trên các nguyên lý cơ bản của máy điện một chiều và lý thuyết mạch điện tử công suất:

  • Mô hình toán học động cơ DC kích từ độc lập: Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng $U = E_ư + R_ư I_ư$; phương trình sức điện động $E_ư = k_E \Phi n = k_M \Phi \omega$; phương trình mômen điện từ $M = k_M \Phi I_ư$; và phương trình đặc tính cơ $\omega = \frac{U_ư}{k_M\Phi} - \frac{R_ư + R_f}{(k_M\Phi)^2} M$.
  • Khái niệm độ cứng đặc tính cơ $\beta = \frac{\Delta M}{\Delta\omega}$ và sai số tốc độ tương đối $s = \frac{\Delta\omega}{\omega_{0min}}$ nhằm đánh giá độ ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi.
  • Lý thuyết chỉnh lưu hai nửa chu kỳ có điều khiển: Sử dụng linh kiện bán dẫn có điều khiển Thyristor để biến đổi nguồn xoay chiều thành một chiều có điện áp điều chỉnh được thông qua việc thay đổi góc kích mở $\alpha$.
  • Lý thuyết phân tích chuỗi Fourier: Khai triển điện áp đập mạch sau chỉnh lưu thành các thành phần sóng hài bậc cao để xác định biên độ hài bậc 1 ($k=1$), làm cơ sở tính toán điện cảm cuộn kháng lọc san bằng dòng tải.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật truyền thống kết hợp giải tích:

  • Phương pháp phân tích - so sánh: So sánh ưu, nhược điểm của ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ DC (thay đổi điện trở mạch phần ứng, thay đổi từ thông kích từ và thay đổi điện áp phần ứng) nhằm xác định giải pháp phù hợp với dải điều chỉnh rộng dưới tốc độ định mức.
  • Phương pháp thiết kế giải tích mạch động lực: Tính toán dòng điện, điện áp làm việc cực đại của van, chọn phần tử bán dẫn thương mại; tính toán kết cấu hình học và điện từ học của máy biến áp lực (kích thước trụ, gông, số vòng dây, tiết diện dây dẫn, tổn hao sắt và đồng); tính toán thông số cuộn kháng san bằng.
  • Phương pháp kiểm nghiệm an toàn: Kiểm tra khả năng chịu dòng xung ngắn mạch tức thời cực đại và tốc độ biến thiên dòng điện chuyển mạch $(\frac{di}{dt})_{max}$ của bộ biến đổi so với giới hạn cho phép của linh kiện.

Nguồn dữ liệu tính toán bao gồm các tiêu chuẩn kỹ thuật lá thép biến áp kỹ thuật điện Đ330 (dày $0,5\text{ mm}$ và $0,35\text{ mm}$), bảng tra thông số dây dẫn điện từ bằng đồng và thông số kỹ thuật của hãng sản xuất van bán dẫn công suất.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống kỹ thuật được nhóm tác giả xây dựng là hệ truyền động van - động cơ (Thyristor - Động cơ DC kích từ độc lập) cấp nguồn cho mạch phần ứng. Cấu trúc phần cứng mạch động lực gồm 4 khối chức năng chính:

  1. Máy biến áp lực: Thực hiện hạ điện áp lưới xoay chiều về giá trị thích hợp với điện áp định mức của động cơ, tạo điểm trung tính phục vụ sơ đồ hai nửa chu kỳ, cách ly mạch lực và hạn chế tốc độ tăng dòng ngắn mạch.
  2. Bộ chỉnh lưu Thyristor hai nửa chu kỳ: Đóng vai trò biến đổi điện năng xoay chiều thành một chiều, cho phép điều chỉnh liên tục điện áp cấp cho phần ứng động cơ bằng cách thay đổi góc mở $\alpha$.
  3. Cuộn kháng lọc san bằng ($L_k$): Mắc nối tiếp giữa bộ chỉnh lưu và mạch phần ứng động cơ nhằm hạn chế thành phần dòng điện xoay chiều đập mạch bậc cao, ngăn ngừa hiện tượng dòng điện gián đoạn và cải thiện điều kiện đổi chiều trên cổ góp.
  4. Tải động cơ DC kích từ độc lập: Tiếp nhận điện áp chỉnh lưu $U_d$ tại mạch phần ứng, trong khi mạch kích từ được cấp nguồn riêng biệt để duy trì từ thông định mức $\Phi_{đm}$.
Thông số kỹ thuật thiết kế Giá trị tính toán / lựa chọn Đơn vị
Dòng điện định mức phần ứng ($I_{ưđm}$) 78,0 $\text{A}$
Điện trở mạch phần ứng động cơ ($R_ư$) 0,23 $\Omega$
Điện cảm mạch phần ứng động cơ ($L_ư$) 3,37 $\text{mH}$
Loại Thyristor lựa chọn 36RT100A -
Điện áp ngược cực đại cho phép của Thyristor ($U_{nv}$) 1000 $\text{V}$
Dòng điện định mức của Thyristor ($I_{đm}$) 80 $\text{A}$
Công suất biểu kiến tính toán của máy biến áp ($S_{ba}$) 27878,8 $\text{VA}$
Điện áp pha thứ cấp máy biến áp ($U_2$) 268,2 $\text{V}$
Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp ($I_2$) 55,38 $\text{A}$
Tiết diện hình học trụ máy biến áp ($Q_{fe}$) 141,7 $\text{cm}^2$
Số vòng dây cuộn sơ cấp máy biến áp ($W_1$) 70 Vòng
Số vòng dây cuộn thứ cấp máy biến áp ($W_2$) 85 Vòng
Trọng lượng lõi thép máy biến áp ($M_{fe}$) 194,34 $\text{kg}$
Trọng lượng dây đồng máy biến áp ($M_{Cu}$) 18,75 $\text{kg}$
Điện kháng quy đổi máy biến áp ($X_{ba}$) 0,10 $\Omega$
Dải góc mở Thyristor ($\alpha_{min} \div \alpha_{max}$) $10^\circ \div 72,8^\circ$ Độ
Điện cảm cuộn kháng lọc bổ sung ($L_k$) 0,13 $\text{mH}$
Số vòng dây cuộn kháng lọc ($W$) 3 Vòng
Trọng lượng thép / đồng cuộn kháng lọc $0,63\text{ / }0,085$ $\text{kg}$

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập và các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

Nội dung chương tập trung mô tả cấu tạo, nguyên lý làm việc và thiết lập các phương trình giải tích của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

  • Cấu tạo cơ khí và điện từ: Phân tích cấu trúc phần tĩnh (stato) gồm cực từ chính sinh từ trường (lõi thép kỹ thuật điện dày $0,5 \div 1\text{ mm}$ ghép lại), cực từ phụ đặt xen kẽ để giảm tia lửa điện cổ góp, gông từ và cơ cấu giá đỡ chổi than; cấu trúc phần quay (rotor) gồm lõi sắt phần ứng bằng tôn silic dày $0,5\text{ mm}$ xẻ rãnh cách điện, dây quấn phần ứng bằng đồng tiết diện chữ nhật hoặc tròn, và cổ góp đổi chiều dòng điện.
  • Đặc tính điện từ: Phản ứng phần ứng xuất hiện khi có tải làm biến dạng từ trường cực từ chính, gây nguy cơ phát sinh tia lửa điện; giải pháp nêu trong tài liệu là bố trí cuộn bù và cực từ phụ mắc nối tiếp với mạch phần ứng.
  • Đánh giá các phương pháp điều chỉnh tốc độ:
    1. Điều chỉnh bằng điện trở phụ mạch phần ứng ($R_f$): Tốc độ giảm khi tăng $R_f$, độ cứng đặc tính cơ giảm mạnh, tổn hao công suất trên điện trở phụ lớn, dải điều chỉnh hẹp và phụ thuộc trực tiếp vào mômen tải.
    2. Điều chỉnh bằng thay đổi từ thông kích từ ($\Phi$): Thực hiện bằng cách giảm dòng kích từ $I_{kt}$ dẫn đến giảm từ thông dưới cực từ. Vận tốc không tải lý tưởng tăng, cho phép điều khiển tốc độ vượt quá tốc độ định mức nhưng độ cứng đặc tính cơ giảm; không thể điều chỉnh ở vùng tốc độ dưới định mức.
    3. Điều chỉnh bằng thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng ($U_ư$): Giữ nguyên từ thông $\Phi = \Phi_{đm}$, điện áp cấp cho phần ứng được điều chỉnh giảm từ $U_{đm}$. Họ đặc tính cơ thu được là các đường thẳng song song với đặc tính tự nhiên, độ cứng đặc tính cơ không đổi ($\beta = \text{const}$). Khi giảm nhanh điện áp, hệ thống có thể chuyển sang làm việc ở trạng thái hãm tái sinh.
  • Kết luận chương: Nhóm tác giả quyết định chọn phương pháp thay đổi điện áp phần ứng bằng bộ biến đổi van bán dẫn có điều khiển để đáp ứng yêu cầu điều chỉnh tốc độ liên tục dưới tốc độ định mức.

Chương 2: Lý thuyết về chỉnh lưu hai nửa chu kỳ điều khiển động cơ điện một chiều

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết hoạt động của sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ:

  • Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ không điều khiển: Khảo sát sơ đồ hai diode dẫn điện luân phiên theo từng nửa chu kỳ của điện áp nguồn xoay chiều, xác định trị trung bình dòng tải $I_d = \frac{U_d}{R_d}$, dòng trung bình qua diode $I_{Dtb} = \frac{I_d}{2}$, dòng hiệu dụng $I_{Dhd} = \frac{I_d}{\sqrt{2}}$, điện áp ngược lớn nhất trên van $U_{ND} = 2\sqrt{2}U_2$ và công suất biểu kiến biến áp $S_{BA} \approx 1,48 U_d I_d$.
  • Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ có điều khiển: Khảo sát dạng sóng điện áp và dòng điện khi thay diode bằng Thyristor. Điện áp trung bình trên tải phụ thuộc vào góc điều khiển $\alpha$. Thiết lập công thức tích phân điện áp tải với tải thuần trở và tải có điện cảm lớn ($L \to \infty$).
  • Sơ đồ chỉnh lưu kèm diode xả năng lượng: Phân tích vai trò của diode xả năng lượng mắc song song ngược với tải cảm, giúp duy trì dòng tải liên tục trong khoảng điện áp nguồn âm và loại bỏ phần diện tích điện áp âm trên tải, qua đó cải thiện chất lượng điện áp đầu ra.
  • Hiện tượng chuyển mạch: Đề cập đến quá trình dòng điện chuyển giao từ van này sang van khác khi có sự xuất hiện của điện cảm nguồn ($L_{ba}$), dẫn đến hiện tượng trùng dẫn và gây sụt áp chuyển mạch trên tải.

Chương 3: Thiết kế và tính chọn các phần tử mạch động lực

Chương 3 là phần trọng tâm kỹ thuật của đồ án, cung cấp toàn bộ các bước tính toán số liệu cụ thể:

  • Xác định thông số tải: Từ các số liệu ban đầu, dòng điện định mức phần ứng được tính ra $I_d = I_{ưđm} = 78\text{ A}$, điện trở phần ứng $R_ư \approx 0,23\ \Omega$ và điện cảm phần ứng $L_ư = 3,37\text{ mH}$ (với hệ số động cơ có cuộn bù $\gamma = 0,25$, số đôi cực $p = 2$).
  • Tính chọn Thyristor: Điện áp ngược cực đại tác động lên van được xác định $U_{lv} = 691,2\text{ V}$, tính toán điện áp van cần chọn với hệ số dự trữ là $U_{nv} = 622,1\text{ V}$. Dòng điện hiệu dụng qua van $I_{lv} = 55,15\text{ A}$, tính với hệ số dự trữ dòng $K_i = 1,2$ cho ra dòng định mức yêu cầu $I_{đmv} = 66,18\text{ A}$. Nhóm tác giả lựa chọn Thyristor công nghiệp mã hiệu 36RT100A với các chỉ số: $U_{nv} = 1000\text{ V}$, $I_{đm} = 80\text{ A}$, xung đỉnh $I_{pik} = 1000\text{ A}$, độ sụt áp thuận $\Delta U = 2,3\text{ V}$, khả năng chịu $dU/dt = 500\text{ V/\mu s}$, thời gian chuyển mạch $t_{cm} = 30\text{ \mu s}$ và nhiệt độ cho phép cực đại $125^\circ\text{C}$.
  • Thiết kế máy biến áp lực:
    • Cân bằng điện áp và tính công suất: Điện áp không tải $U_{d0} = 241,5\text{ V}$ được tính tại góc mở dự trữ $\alpha_{min} = 10^\circ$, có tính đến sụt áp trên 2 van ($2 \times 2,3\text{ V}$) và sụt áp biến áp $\Delta U_{ba} = 13,2\text{ V}$ ($6%$). Điện áp hiệu dụng thứ cấp máy biến áp $U_2 = 268,2\text{ V}$. Công suất cực đại của tải $P_{dmax} = 18837\text{ W}$, công suất biểu kiến sơ cấp $S_{1ba} = 23169,5\text{ VA}$, thứ cấp $S_{2ba} = 32776,4\text{ VA}$ và toàn máy biến áp $S_{ba} = 27878,8\text{ VA}$.
    • Mạch từ: Trụ có đường kính quy chuẩn $d = 14\text{ cm}$, ghép từ các lá thép kỹ thuật điện Đ330 dày $0,5\text{ mm}$ xếp thành 6 bậc thang; chiều cao trụ $h = 33\text{ cm}$; tiết diện hiệu dụng trụ $Q_{QT} = 110\text{ cm}^2$; gông từ có tiết diện hiệu quả $Q_g = 176,9\text{ cm}^2$ (ghép từ 276 lá thép). Trọng lượng sắt của trụ là $57,13\text{ kg}$, gông là $137,21\text{ kg}$, tổng khối lượng sắt mạch từ $M_{fe} = 194,34\text{ kg}$.
    • Dây quấn máy biến áp: Dây đồng tròn mật độ dòng $J = 2,75\text{ A/mm}^2$. Cuộn sơ cấp có $W_1 = 70$ vòng (đường kính có cách điện $5,5\text{ mm}$, bố trí 2 lớp), cuộn thứ cấp có $W_2 = 85$ vòng (đường kính có cách điện $5,0\text{ mm}$, bố trí 2 lớp). Tổng khối lượng đồng dây quấn $M_{Cu} = 18,75\text{ kg}$.
    • Tham số quy đổi và kiểm tra: Điện trở quy đổi về thứ cấp $R_{BA} = 0,54\ \Omega$; điện kháng quy đổi $X_{ba} = 0,1\ \Omega$; điện cảm $L_{BA} = 0,31\text{ mH}$; tổng trở ngắn mạch $Z_{BA} = 0,55\ \Omega$. Tổn hao ngắn mạch $\Delta P_n = 3285\text{ W}$ ($11,7%$), tổn hao không tải $P_0 = 164\text{ W}$ ($0,588%$). Điện áp ngắn mạch phần trăm $U_n = 11,28%$. Dòng ngắn mạch tức thời cực đại $I_{max} = 688\text{ A} < I_{pik} = 1000\text{ A}$. Tốc độ biến thiên dòng điện chuyển mạch lớn nhất $(\frac{di}{dt}){max} = 0,122352\text{ A/\mu s} < [di/dt]{cp} = 100\text{ A/\mu s}$. Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu đạt $61,5%$.
  • Thiết kế cuộn kháng lọc san bằng:
    • Xác định góc mở điều khiển: Tại góc mở cực tiểu $\alpha_{min} = 10^\circ$, điện áp tải cực đại $U_{dmax} = U_{dđm}$; với dải điều chỉnh yêu cầu $D = 20$, điện áp nhỏ nhất trên tải tính được $U_{dmin} = 71,23\text{ V}$, tương ứng góc mở lớn nhất $\alpha_{max} = 72,8^\circ$.
    • Tính toán sóng hài: Khai triển chuỗi Fourier điện áp đập mạch xác định thành phần sóng hài bậc 1 ($k=1$) có biên độ cực đại $U_{1m} = 76\text{ V}$. Để dòng điện đập mạch không vượt quá $10% I_{đm}$ ($I_{1m} \le 7,8\text{ A}$), điện cảm yêu cầu của toàn mạch là $L \ge 5,73\text{ mH}$. Do điện cảm mạch phần ứng và máy biến áp đã đạt $L_{ưc} = L_ư + 2L_{ba} = 9,57\text{ mH}$, cuộn kháng lọc bổ sung được tính toán thiết kế với giá trị $L_k = 0,13\text{ mH}$.
    • Kết cấu cuộn kháng: Mạch từ sử dụng thép 330A dày $0,35\text{ mm}$, tiết diện cực từ $Q = 4,25\text{ cm}^2$ ($a = 20\text{ mm}, b = 25\text{ mm}$), mật độ từ cảm $B_T = 0,8\text{ T}$. Dây quấn gồm $W = 3$ vòng bằng đồng dẹt kích thước $2,83 \times 9,3\text{ mm}$ ($S_k = 25,8\text{ mm}^2$), điện trở dây quấn $R = 3,82 \times 10^{-3}\ \Omega$. Khối lượng sắt cuộn kháng là $0,63\text{ kg}$, khối lượng đồng là $0,085\text{ kg}$.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu mang lại các kết quả kỹ thuật định lượng rõ ràng:

  • Xây dựng hoàn chỉnh phương án thiết kế mạch động lực chỉnh lưu hai nửa chu kỳ có điều khiển, đáp ứng yêu cầu cung cấp nguồn điện áp biến đổi cho động cơ DC kích từ độc lập công suất $12,5\text{ kW}$, điện áp $220\text{ V}$.
  • Thiết lập bảng số liệu tính toán chi tiết về mặt kích thước vật lý và thông số điện từ của máy biến áp lực:
    • Công suất biểu kiến chế tạo: $27,88\text{ kVA}$.
    • Tỷ số biến áp vòng dây: sơ cấp 70 vòng / thứ cấp 85 vòng.
    • Tổng khối lượng vật liệu hoạt tính chế tạo máy biến áp: $194,34\text{ kg}$ sắt từ và $18,75\text{ kg}$ đồng kỹ thuật điện.
  • Tính chọn thành công van bán dẫn Thyristor 36RT100A ($1000\text{ V} - 80\text{ A}$) thỏa mãn điều kiện tản nhiệt tự nhiên và có hệ số dự trữ dòng điện $K_i = 1,2$.
  • Kiểm chứng an toàn thành công qua các phép tính giải tích:
    • Khả năng chịu dòng điện ngắn mạch: Dòng ngắn mạch tức thời cực đại $I_{max} = 688\text{ A}$ thấp hơn giới hạn dòng xung đỉnh cho phép của Thyristor ($I_{pik} = 1000\text{ A}$).
    • Khả năng hạn chế tốc độ biến thiên dòng chuyển mạch: Điện kháng tản của máy biến áp đảm bảo $(\frac{di}{dt})_{max} = 0,122\text{ A/\mu s}$, thấp hơn rất nhiều so với ngưỡng suy hao van cho phép ($100\text{ A/\mu s}$).
  • Xác định dải góc điều khiển Thyristor $\alpha \in [10^\circ; 72,8^\circ]$ đáp ứng dải điều chỉnh tốc độ $D = 20$, đồng thời thiết kế cuộn kháng san bằng $L_k = 0,13\text{ mH}$ (3 vòng dây, nặng $0,715\text{ kg}$) đảm bảo dòng đập mạch hài bậc 1 dưới $10% I_{đm}$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù nội dung thiết kế mạch động lực được thực hiện chi tiết, văn bản tài liệu bộc lộ một số giới hạn:

  • Toàn văn tài liệu dừng lại ở việc tính toán mạch động lực (Chương 3); các nội dung về thiết kế mạch điều khiển phát xung kích mở Thyristor (Chương 4), mạch bảo vệ quá áp/quá dòng (Chương 5), và mô phỏng kiểm chứng trên Matlab/Simulink hoặc thi công mạch thực tế (Chương 6) mới chỉ dừng ở tên mục trong đề cương nhiệm vụ, chưa có dữ liệu triển khai trong văn bản.
  • Hiệu suất tính toán của bộ chỉnh lưu ở mức trung bình ($\eta = 61,5%$), chủ yếu do tổn hao ngắn mạch trên điện trở nội của máy biến áp tương đối lớn ($\Delta P_n = 3285\text{ W}$, chiếm $11,7%$).
  • Việc tính toán cuộn kháng lọc cho thấy điện cảm nội bộ của mạch ($L_{ưc} = 9,57\text{ mH}$) đã vượt giá trị điện cảm yêu cầu tối thiểu ($5,73\text{ mH}$), khiến giá trị tính toán lý thuyết của cuộn kháng bổ sung rất nhỏ ($0,13\text{ mH}$, chỉ cần 3 vòng dây), đòi hỏi đánh giá lại chế độ dòng điện gián đoạn ở góc mở lớn trong thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

  • Tính toán và thiết kế sơ đồ nguyên lý chi tiết cho mạch điều khiển (khối đồng pha, khối phát điện áp răng cưa, khối so sánh và khối tạo xung - khuếch đại xung biến áp xung).
  • Thiết kế mạch bảo vệ quá áp bằng mạch hấp thụ RC song song với Thyristor và bảo vệ ngắn mạch bằng cầu chì tác cắt nhanh chuyên dụng cho linh kiện bán dẫn.
  • Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink để kiểm nghiệm dạng sóng dòng điện, điện áp trên tải và trên van trong các giai đoạn quá độ khởi động và xác lập.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án môn học này có giá trị ứng dụng và tham khảo thiết thực cho các đối tượng:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Cung cấp tài liệu mẫu mực về quy trình tính toán kỹ thuật từ thông số động cơ đến việc thiết kế máy biến áp lực chuyên dụng cho chỉnh lưu và tính chọn van bán dẫn công suất.
  • Người làm đồ án môn học Điện tử công suất và Truyền động điện: Tham khảo trực tiếp các bước thiết kế mạch từ máy biến áp (phân bậc trụ, tính số lá thép, tính kích thước cửa sổ mạch từ) và phương pháp khai triển Fourier để xác định cuộn kháng lọc.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống nguồn tĩnh: Tham khảo phương pháp tính toán kiểm tra các điều kiện an toàn chuyển mạch ($\frac{di}{dt}$) và kiểm tra dòng ngắn mạch cực đại tác động lên linh kiện bán dẫn công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập trong đồ án có các thông số kỹ thuật định mức nào?
Động cơ có công suất định mức $P_{đm} = 12,5\text{ kW}$, điện áp định mức $U_{đm} = 220\text{ V}$, tốc độ định mức $n_{đm} = 1000\text{ vòng/phút}$, hiệu suất định mức $\eta_{đm} = 0,84$, dòng điện định mức tính toán $I_{ưđm} = 78\text{ A}$, điện trở phần ứng $R_ư \approx 0,23\ \Omega$ và điện cảm phần ứng $L_ư = 3,37\text{ mH}$.

2. Nhóm tác giả đã lựa chọn loại Thyristor nào và dựa trên những tiêu chí dòng áp nào?
Thyristor được chọn là loại 36RT100A. Việc lựa chọn dựa trên điện áp ngược tính toán $U_{nv} = 622,1\text{ V}$ (chọn van có $U_{nv} = 1000\text{ V}$) và dòng làm việc định mức có hệ số dự trữ $I_{đmv} = 66,18\text{ A}$ (chọn van có dòng định mức $I_{đm} = 80\text{ A}$). Van chịu được dòng xung đỉnh $I_{pik} = 1000\text{ A}$, sụt áp dẫn $\Delta U = 2,3\text{ V}$ và $dU/dt = 500\text{ V/\mu s}$.

3. Kích thước và khối lượng vật liệu của máy biến áp lực được tính toán ra sao?
Máy biến áp có công suất biểu kiến $S_{ba} = 27878,8\text{ VA}$, đường kính trụ thép $d = 14\text{ cm}$, chiều cao trụ $h = 33\text{ cm}$, tiết diện hiệu dụng trụ $110\text{ cm}^2$ (ghép từ các lá thép Đ330 xếp 6 bậc). Cuộn sơ cấp có 70 vòng dây đồng tròn đường kính $5,2\text{ mm}$; cuộn thứ cấp có 85 vòng dây đường kính $4,8\text{ mm}$. Tổng khối lượng sắt từ là $194,34\text{ kg}$ và khối lượng đồng là $18,75\text{ kg}$.

4. Dải góc mở $\alpha$ của Thyristor được xác định trong khoảng nào để đảm bảo dải điều chỉnh tốc độ $D = 20$?
Góc mở cực tiểu được chọn dự trữ bù sụt áp lưới là $\alpha_{min} = 10^\circ$ (ứng với điện áp ra lớn nhất $U_{dmax} = 220\text{ V}$). Tại dải điều chỉnh $D = 20$, điện áp nhỏ nhất trên tải là $U_{dmin} = 71,23\text{ V}$, tính ra góc mở cực đại là $\alpha_{max} = 72,8^\circ$. Dải điều khiển góc mở là $\alpha \in [10^\circ; 72,8^\circ]$.

5. Kết quả kiểm tra an toàn về dòng ngắn mạch và tốc độ tăng dòng chuyển mạch có đạt yêu cầu không?
Có, các kết quả kiểm tra đều thỏa mãn điều kiện an toàn: Dòng ngắn mạch tức thời cực đại tính toán là $I_{max} = 688\text{ A}$, nhỏ hơn dòng xung đỉnh cho phép của Thyristor ($I_{pik} = 1000\text{ A}$). Tốc độ tăng dòng chuyển mạch cực đại $(\frac{di}{dt})_{max} = 0,122352\text{ A/\mu s}$, thấp hơn rất nhiều so với ngưỡng giới hạn cho phép của van là $100\text{ A/\mu s}$.

Kết luận

Đồ án môn học Điện tử công suất của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật đã hoàn thành trọn vẹn việc tính toán thiết kế phần cứng mạch động lực cho bộ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ điều khiển động cơ DC kích từ độc lập $12,5\text{ kW}$. Bằng phương pháp tính toán giải tích khoa học, đề tài đã đưa ra các thông số cụ thể cho máy biến áp lực $27,88\text{ kVA}$, lựa chọn linh kiện Thyristor 36RT100A và cuộn kháng san bằng $0,13\text{ mH}$ với độ tin cậy an toàn cao. Kết quả tính toán thể hiện sự chính xác về mặt kỹ thuật, là tài liệu tham khảo có giá trị cao cho việc học tập, nghiên cứu và thiết kế các hệ thống truyền động điện một chiều sử dụng van bán dẫn công suất.