Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các hệ thống sản xuất công nghiệp và dây chuyền tự động hóa khép kín, việc truyền động và điều khiển tốc độ động cơ điện đóng vai trò then chốt. Mặc dù các hệ thống điều khiển động cơ xoay chiều ngày càng phát triển, động cơ điện một chiều (DC) vẫn giữ vị trí quan trọng trong thực tế sản xuất nhờ khả năng điều chỉnh tốc độ liên tục trong dải rộng, cấu trúc điều khiển đơn giản và đáp ứng được các yêu cầu về đặc tính cơ chuyên dụng (như trong các máy cắt gọt kim loại, thiết bị vận tải). Nhằm đáp ứng nguồn cấp một chiều có thể điều chỉnh điện áp từ lưới điện xoay chiều, các bộ biến đổi bán dẫn công suất sử dụng Thyristor là giải pháp truyền thống nhưng mang tính ổn định và hiệu quả kinh tế cao.

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Vũ Hải Sơn (ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng, năm 2016, dưới sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Đoàn Phong) tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một hệ thống truyền động điện một chiều công suất trung bình. Các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể như sau:

  1. Nhiệm vụ lý luận: Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, nguyên lý vận hành và phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập; phân tích các giải pháp điều chỉnh tốc độ; khảo sát nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha dùng Thyristor ở các chế độ góc mở khác nhau.
  2. Nhiệm vụ tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán lựa chọn van bán dẫn Thyristor theo điều kiện điện áp ngược và dòng điện làm việc định mức có xét hệ số dự trữ; thiết kế chi tiết máy biến áp lực 3 pha (tính toán mạch từ, kết cấu dây quấn sơ cấp/thứ cấp, thông số tổn hao và sụt áp); xác định các yêu cầu đối với mạch lọc và mạch bảo vệ.
  3. Nhiệm vụ thiết kế mạch điều khiển: Xác định cấu trúc và nguyên lý tạo xung kích mở đồng pha điều khiển góc mở $\alpha$ của các Thyristor nhằm thay đổi điện áp phần ứng cấp cho động cơ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập; bộ biến đổi chỉnh lưu hình tia 3 pha có điều khiển sử dụng linh kiện bán dẫn Thyristor; máy biến áp điện lực 3 pha 3 trụ làm mát tự nhiên.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế kỹ thuật mạch động lực cho bộ nguồn chỉnh lưu cấp cho tải động cơ có điện áp định mức $U_d = 220\text{ V}$, dòng điện định mức $I_d = 59{,}5\text{ A}$, kết nối từ lưới điện 3 pha $380\text{ V} - 50\text{ Hz}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền động điện, máy điện và điện tử công suất:

  • Khung lý thuyết về động cơ điện một chiều: Sử dụng phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng $U_ư = E_ư + (R_ư + R_f)I_ư$ và phương trình đặc tính cơ $\omega = \frac{U_ư}{k\Phi} - \frac{R_ư + R_f}{(k\Phi)^2}M$. Khảo sát ba phương pháp điều chỉnh tốc độ gồm: thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng ($R_f$), điều chỉnh từ thông kích từ ($\Phi$), và điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ ($U_ư$).
  • Lý thuyết chỉnh lưu tia 3 pha: Sử dụng mô hình biến đổi xoay chiều sang một chiều với biến áp có cuộn thứ cấp đấu hình sao có trung tính ($Y_0$), 3 Thyristor đấu chung Catot tạo cực dương tải, trung tính biến áp đóng vai trò cực âm. Đánh giá quá trình chuyển mạch, biểu thức điện áp trung bình $U_d = U_{do}\cos\alpha$, và điều kiện dẫn dòng liên tục/gián đoạn phụ thuộc vào tải ($R, L, E$) và góc kích mở $\alpha$.
  • Lý thuyết linh kiện bán dẫn công suất (Thyristor): Cấu trúc 4 lớp bán dẫn $P-N-P-N$, cơ chế kích mở bằng xung dòng cực điều khiển $I_g > I_{gst}$ khi điện áp thuận $U_{AK} > 0$, và các cơ chế khóa van bằng cách giảm dòng làm việc dưới dòng duy trì $I_H$ hoặc đặt điện áp ngược $U_{AK} < 0$.
  • Phương pháp nghiên cứu: Tác giả sử dụng phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật (analytical engineering calculation) kết hợp chuẩn hóa thông số theo tiêu chuẩn thiết bị điện công nghiệp.
  • Nguồn dữ liệu: Các tiêu chuẩn kỹ thuật về lá thép kỹ thuật điện, dây quấn bằng đồng cách điện cấp B, và thông số kỹ thuật thương mại của linh kiện van Thyristor dòng T60N.

Thiết kế và tính toán kỹ thuật hệ thống

Khóa luận tiến hành thiết kế hệ thống phần cứng mạch động lực từ lưới điện $380\text{ V}$ đến tải phần ứng động cơ $220\text{ V} - 59{,}5\text{ A}$.

Lưới điện 3 pha (380V/50Hz)

1. Tính chọn linh kiện Thyristor

Các thông số làm việc của van được xác định qua tính toán giải tích:

  • Điện áp pha thứ cấp lý thuyết: $U_2 = 188{,}03\text{ V}$.
  • Điện áp ngược cực đại đặt lên van: $U_{lv} = \sqrt{6} \times U_2 = 460{,}58\text{ V}$. Có tính đến hệ số an toàn điện áp, điện áp ngược yêu cầu: $U_{nv} = 829{,}04\text{ V}$.
  • Dòng điện hiệu dụng qua van: $I_{hd} = k_{hd} \times I_d = 0{,}58 \times 59{,}5 = 34{,}51\text{ A}$.
  • Dòng điện làm việc định mức có xét hệ số dự trữ $k_i = 1{,}4$: $I_{lv} = 1{,}4 \times 34{,}51 = 48{,}314\text{ A}$.

Từ các chỉ số trên, tác giả chọn van bán dẫn mã hiệu T60N1000VOF với các thông số định mức đối chiếu:

Đại lượng kỹ thuật Ký hiệu Giá trị tính toán / yêu cầu Thông số định mức van chọn (T60N1000VOF)
Điện áp ngược cực đại $U_{nv}$ $\ge 829{,}04\text{ V}$ $1000\text{ V}$
Dòng điện định mức của van $I_{đm}$ $\ge 48{,}31\text{ A}$ $60\text{ A}$
Đỉnh xung dòng điện $I_{pik}$ — $1400\text{ A}$
Sụt áp thuận trên van $\Delta U$ $1{,}8\text{ V}$ (giả thiết) $1{,}8\text{ V}$
Điện áp xung điều khiển $U_{đk}$ — $1{,}4\text{ V}$
Dòng điện xung điều khiển $I_{đk}$ — $150\text{ mA}$
Dòng điện rò $I_r$ — $25\text{ mA}$
Tốc độ tăng điện áp cho phép $du/dt$ — $1000\text{ V}/\mu\text{s}$
Thời gian chuyển mạch $t_{cm}$ — $180\ \mu\text{s}$
Nhiệt độ làm việc cực đại $T_{max}$ — $125^\circ\text{C}$

2. Thiết kế và tính toán máy biến áp chỉnh lưu

Máy biến áp được thiết kế là loại 3 pha 3 trụ, làm mát tự nhiên bằng không khí ($k_Q = 6$), tổ đấu dây $\Delta/Y_0$:

  • Công suất tính toán máy biến áp: $S_{ba} = k_s \times U_{do} \times I_d = 1{,}345 \times 238{,}22 \times 59{,}5 = 19064{,}15\text{ W}$ ($19{,}06\text{ kVA}$), với $U_{do} = 238{,}22\text{ V}$ (tính ở góc dự trữ $\alpha_{min} = 10^\circ$, sụt áp van $\Delta U_v = 1{,}8\text{ V}$, sụt áp biến áp $\Delta U_{ba} = 11\text{ V}$).
  • Mạch từ:
    • Tiết diện sơ bộ trụ: $Q_{Fe} = 67{,}64\text{ cm}^2$; đường kính trụ chọn $d = 9\text{ cm}$.
    • Trụ được ghép bậc thang gồm 6 bậc; tiết diện hình học $Q_{bt} = 65{,}8\text{ cm}^2$; tiết diện hiệu quả $Q_T = 62{,}51\text{ cm}^2$ (hệ số ép chặt $k_{hq} = 0{,}95$).
    • Chiều cao trụ: $h = 21\text{ cm}$.
    • Gông từ tiết diện chữ nhật: $a = 8{,}5\text{ cm}$, $b = 10{,}2\text{ cm}$, tiết diện hiệu quả $Q_g = 82{,}365\text{ cm}^2$.
    • Mật độ từ cảm: trong trụ $B_T = 1{,}082\text{ T}$, trong gông $B_g = 0{,}82\text{ T}$.
    • Tổng khối lượng thép kỹ thuật điện ($0{,}5\text{ mm}$): $M_{Fe} = M_T + M_g = 31\text{ kg} + 67{,}4\text{ kg} = 98{,}4\text{ kg}$.
  • Cuộn dây quấn (bằng đồng, bọc cách điện cấp B, mật độ dòng $J = 2{,}75\text{ A/mm}^2$):
    • Cuộn sơ cấp ($U_1 = 380\text{ V}$, $I_1 = 26{,}03\text{ A}$): Số vòng $W_1 = 253$ vòng, chia làm 6 lớp (5 lớp đầu 42 vòng, lớp thứ sáu 43 vòng). Tiết diện dây dẫn chuẩn $S_1 = 9{,}51\text{ mm}^2$ (dây chữ nhật kể cả cách điện $2{,}63 \times 3{,}80\text{ mm}$). Mật độ dòng điện thực tế $J_1 = 2{,}74\text{ A/mm}^2$. Chiều dài dây $l_1 = 100{,}46\text{ m}$.
    • Cuộn thứ cấp ($I_2 = 48{,}58\text{ A}$): Số vòng $W_2 = 136$ vòng, chia làm 8 lớp (17 vòng/lớp). Tiết diện dây chuẩn $S_2 = 17{,}70\text{ mm}^2$ (dây chữ nhật $2{,}18 \times 8{,}38\text{ mm}$). Chiều dài dây $l_2 = 76{,}52\text{ m}$.
    • Tổng khối lượng đồng: $M_{Cu} = 61{,}68\text{ kg}$ ($V_{Cu} = 6{,}93\text{ dm}^3$, khối lượng riêng $8{,}9\text{ kg/dm}^3$).
  • Tham số quy đổi và tổn hao của máy biến áp:
    • Điện trở quy đổi về thứ cấp ở $75^\circ\text{C}$: $R_{BA} = R_2 + R_1(W_2/W_1)^2 = 0{,}092 + 0{,}225 \times (136/253)^2 = 0{,}16\ \Omega$.
    • Sụt áp tác dụng trên điện trở biến áp: $\Delta U_r = 9{,}52\text{ V}$.
    • Điện kháng và điện cảm quy đổi về thứ cấp: $X_{BA} = 0{,}253\ \Omega$, $L_{BA} = 0{,}8\text{ mH}$.
    • Sụt áp trên điện kháng biến áp: $\Delta U_x = 14{,}37\text{ V}$.
    • Tổng sụt áp trên biến áp: $\Delta U_{BA} = \sqrt{\Delta U_r^2 + \Delta U_x^2} = 17{,}24\text{ V}$.
    • Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp: $Z_{BA} = \sqrt{R_{BA}^2 + X_{BA}^2} = 0{,}3\ \Omega$.
    • Điện áp thực tế đặt lên tải ở góc mở $\alpha_{min} = 10^\circ$: $U = U_{do}\cos(10^\circ) - 2\Delta U_v - \Delta U_{BA} = 213{,}76\text{ V}$.
    • Tổn hao ngắn mạch: $\Delta P_n = 5{,}94%$; tổn hao không tải: $P_0 = 0{,}64%$; điện áp ngắn mạch tác dụng: $u_r = 3{,}82%$.

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương này tập trung trình bày cơ sở lý thuyết về động cơ điện một chiều. Tác giả phân tích chi tiết cấu tạo gồm phần tĩnh (Stato: cực từ chính làm bằng thép kỹ thuật điện dày $0{,}5-1\text{ mm}$, dây quấn kích từ bằng đồng, cực từ phụ, gông từ, cơ cấu chổi than) và phần quay (Roto: lõi sắt phần ứng thép dày $0{,}5\text{ mm}$ có rãnh dập và lỗ thông gió, dây quấn phần ứng, cổ góp gồm các phiến đồng cách điện bằng mica dày $0{,}4-1{,}2\text{ mm}$, cánh quạt làm mát).

Tác giả thiết lập phương trình đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập và phân tích 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ:

  1. Mắc điện trở phụ vào mạch phần ứng ($R_f$): Làm tăng độ dốc của đặc tính cơ (giảm độ cứng), phạm vi điều chỉnh hẹp và tổn hao năng lượng trên điện trở phụ lớn, thường chỉ áp dụng khi khởi động nhằm hạn chế dòng điện.
  2. Điều chỉnh từ thông kích từ ($\Phi$): Mắc biến trở vào mạch kích từ để giảm từ thông; phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ tăng lên trên tốc độ cơ bản, công suất mạch điều khiển nhỏ nhưng bị giới hạn bởi độ bền cơ khí và chuyển mạch.
  3. Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng ($U_ư$): Cho phép giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ tự nhiên, điều chỉnh tốc độ vô cấp và triệt để trong toàn dải tải dưới tốc độ định mức. Tác giả kết luận đây là phương pháp tối ưu và lựa chọn bộ chỉnh lưu Thyristor làm nguồn biến đổi cấp điện áp phần ứng.
Phương pháp điều chỉnh Ưu điểm Nhược điểm Phạm vi ứng dụng chính
Thêm điện trở phụ mạch phần ứng ($R_f$) Cấu tạo đơn giản, dễ thao tác thực hiện. Độ cứng đặc tính cơ giảm mạnh; tổn hao nhiệt lớn; dải điều chỉnh hẹp. Dùng hạn chế dòng mở máy và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản.
Giảm từ thông kích từ ($\Phi$) Công suất điều khiển nhỏ; tổn thất năng lượng thấp; mở rộng tốc độ lên trên định mức. Chế tạo phức tạp; tốc độ cực đại bị giới hạn bởi cơ khí và tia lửa cổ góp. Dùng điều chỉnh dải tốc độ cao hơn tốc độ định mức ($1:5$ đến $1:8$).
Thay đổi điện áp phần ứng ($U_ư$) Điều chỉnh vô cấp, triệt để; giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ. Đòi hỏi bộ nguồn biến đổi điều áp riêng (tăng vốn đầu tư thiết bị). Máy cắt gọt kim loại, hệ thống truyền động yêu cầu dải điều chỉnh rộng dưới định mức.

Chương 2: Tổng quan về bộ chỉnh lưu tia 3 pha

Nội dung chương trình bày sơ đồ nguyên lý, cấu tạo và phân tích dạng sóng của mạch chỉnh lưu tia 3 pha:

  • Nguyên lý chuyển mạch: Ba van Thyristor $T_1, T_2, T_3$ được nối vào 3 pha thứ cấp $a, b, c$ của máy biến áp. Điều kiện mở van là điện áp anốt dương hơn catốt ($U_{AK} > 0$) và có xung điều khiển kích vào cực G. Mỗi van dẫn điện trong khoảng $1/3$ chu kỳ ($120^\circ$). Dòng điện trung bình qua mỗi van bằng $1/3$ dòng điện tải ($I_v = I_d/3$).
  • Ảnh hưởng của góc mở $\alpha$ đối với tải thuần trở:
    • Khi $\alpha \le 30^\circ$: Dòng điện và điện áp tải liên tục.
    • Khi $\alpha > 30^\circ$: Điện áp và dòng điện tải rơi vào trạng thái gián đoạn.
  • Linh kiện Thyristor: Khảo sát chi tiết đặc tính Vôn - Ampe (gồm 4 vùng: vùng khóa thuận với dòng rò nhỏ, vùng điện trở âm khi đạt điện áp chuyển trạng thái $U_{ch}$, vùng dẫn bão hòa với sụt áp khoảng $1\text{ V}$, và vùng đánh thủng ngược $U_{ng}$). Phân tích các phương pháp khóa van tự động bằng tụ điện chuyển mạch $C$, dẫn xuất công thức tính điện dung tụ khóa: $C \ge \frac{0{,}693 \times t_{off}}{R_1}$.
  • Đánh giá ưu nhược điểm sơ đồ tia 3 pha: Chất lượng điện áp một chiều tốt hơn chỉnh lưu 1 pha, biên độ đập mạch nhỏ, thành phần sóng hài bậc cao thấp, mạch điều khiển van đơn giản. Tuy nhiên, tồn tại dòng một chiều chạy qua các cuộn thứ cấp máy biến áp gây từ hóa lõi thép không đối xứng, đòi hỏi công suất biến áp phải lớn hơn công suất tải ($k_s = 1{,}345$) và dây trung tính phải có tiết diện lớn hơn dây pha.

Chương 3: Tính toán và thiết kế mạch động lực bảo vệ

Chương này là nội dung tính toán kỹ thuật trọng tâm của đồ án, bao gồm:

  • Thiết lập phương trình cân bằng điện áp mạch động lực có xét đến sụt áp trên van Thyristor ($\Delta U_v = 1{,}8\text{ V}$), sụt áp trên biến áp ($\Delta U_{ba} = 11\text{ V}$) và góc dự trữ khi lưới sụt áp ($\alpha_{min} = 10^\circ$), xác định điện áp không tải $U_{do} = 238{,}22\text{ V}$.
  • Tính chọn van Thyristor T60N1000VOF chịu dòng định mức $60\text{ A}$, điện áp ngược $1000\text{ V}$, có trang bị cánh tản nhiệt làm mát tự nhiên đảm bảo van vận hành ở mức $40%$ dòng định mức ($48{,}31\text{ A}$).
  • Thiết kế hoàn chỉnh kết cấu máy biến áp chỉnh lưu khô 3 pha 3 trụ công suất $19{,}06\text{ kVA}$: xác định quy cách mạch từ 6 bậc thang (thép lá $0{,}5\text{ mm}$, tổng khối lượng $98{,}4\text{ kg}$), cuộn sơ cấp 253 vòng ($S_1 = 9{,}51\text{ mm}^2$), cuộn thứ cấp 136 vòng ($S_2 = 17{,}70\text{ mm}^2$, tổng khối lượng đồng $61{,}68\text{ kg}$).
  • Tính toán kiểm nghiệm các thông số nội tại của máy biến áp: điện trở quy đổi $R_{BA} = 0{,}16\ \Omega$, điện cảm $L_{BA} = 0{,}8\text{ mH}$, tổng trở ngắn mạch $Z_{BA} = 0{,}3\ \Omega$, tổn hao ngắn mạch $\Delta P_n = 5{,}94%$, tổn hao không tải $P_0 = 0{,}64%$. Điện áp thực cấp cho tải đạt $213{,}76\text{ V}$ ở góc mở $\alpha = 10^\circ$.

Chương 4: Tính toán mạch điều khiển

Chương này được xác định trong nhiệm vụ đề tài nhằm thiết kế khối tạo xung điều khiển đồng pha, tạo răng cưa, so sánh điện áp điều khiển để định thời điểm phát xung kích cực điều khiển (G) cho 3 van Thyristor theo góc mở $\alpha$, đảm bảo dịch chuyển pha $120^\circ$ tương ứng giữa 3 pha nguồn.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật chính

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn việc tính toán thiết kế phần cứng cho bộ chỉnh lưu Thyristor hình tia 3 pha điều khiển động cơ DC với hệ thống số liệu định lượng chi tiết:

Hạng mục thiết bị / Thông số Giá trị định lượng trong đồ án
Công suất tải thiết kế ($P_d$) $U_d = 220\text{ V}$, $I_d = 59{,}5\text{ A}$
Điện áp không tải bộ biến đổi ($U_{do}$) $238{,}22\text{ V}$ (tại $\alpha_{min} = 10^\circ$)
Mã hiệu van Thyristor lựa chọn T60N1000VOF ($60\text{ A} - 1000\text{ V}, \Delta U = 1{,}8\text{ V}$)
Công suất máy biến áp lực ($S_{ba}$) $19064{,}15\text{ W}$ ($19{,}06\text{ kVA}$)
Quy cách mạch từ biến áp 3 pha 3 trụ, lõi thép 6 bậc, $B_T = 1{,}082\text{ T}$, $h = 21\text{ cm}$, nặng $98{,}4\text{ kg}$
Quy cách dây quấn biến áp Dây đồng chữ nhật cách điện cấp B, sơ cấp 253 vòng, thứ cấp 136 vòng, nặng $61{,}68\text{ kg}$
Tổng trở ngắn mạch quy đổi ($Z_{BA}$) $0{,}3\ \Omega$ ($R_{BA} = 0{,}16\ \Omega, X_{BA} = 0{,}253\ \Omega$)
Tổn hao máy biến áp Tổn hao ngắn mạch $\Delta P_n = 5{,}94%$; tổn hao không tải $P_0 = 0{,}64%$
Điện áp tải thực tế tại $\alpha = 10^\circ$ $213{,}76\text{ V}$

2. Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  • Tối ưu hóa mạch từ và dây quấn: Sử dụng kết cấu lõi thép hình chữ nhật bậc thang 6 bậc ghép từ các lá thép kỹ thuật điện dày $0{,}5\text{ mm}$ nhằm tối ưu diện tích tiết diện trụ ($62{,}51\text{ cm}^2$), kiểm soát mật độ từ cảm trong trụ ở mức an toàn ($1{,}082\text{ T}$) và trong gông ($0{,}82\text{ T}$), giảm thiểu dòng từ hóa không đối xứng.
  • Giải pháp lựa chọn van an toàn: Tính toán van bán dẫn dựa trên dòng điện hiệu dụng ($34{,}51\text{ A}$) kết hợp hệ số dự trữ $1{,}4$ và quy định điều kiện tản nhiệt để van vận hành lâu dài ở mức tải $40%$ dòng định mức ($48{,}31\text{ A} / 60\text{ A}$).
  • Bố trí dây quấn đồng tâm dọc trục: Bố trí cuộn sơ cấp và thứ cấp theo chiều dọc trục, chừa khoảng cách cách điện ($S_{01} = 0{,}1\text{ cm}$, $c_{d01} = 1{,}0\text{ cm}$) và khe hở thông gió giúp máy biến áp khô làm mát tự nhiên hiệu quả.

3. Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp tài liệu hướng dẫn tính toán thiết kế chi tiết từng bước từ lý thuyết giải tích đến quy cách vật liệu cơ khí - điện thực tế cho máy biến áp chỉnh lưu công suất $19\text{ kVA}$.
  • Làm rõ phương pháp lựa chọn van Thyristor có xét đầy đủ các hệ số sụt áp, quá áp lưới và điều kiện làm mát thực tế trong công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Đồ án sử dụng sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha. Cấu hình này có nhược điểm cố hữu là dòng điện chạy qua mỗi cuộn dây thứ cấp máy biến áp là dòng một chiều gián đoạn, làm việc từ hóa lõi thép bị lệch, dẫn đến công suất biểu kiến tính toán của máy biến áp lớn hơn nhiều so với công suất tải ($k_s = 1{,}345$).
    • Phạm vi văn bản tập trung chủ yếu vào tính toán lý thuyết và thiết kế phần cứng mạch động lực, chưa có số liệu đo kiểm thực nghiệm trên mô hình tải thực tế hoặc phân tích dạng sóng hài bằng máy hiện sóng.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu chuyển đổi sang sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha (6 Thyristor) để triệt tiêu hiện tượng từ hóa một chiều trong lõi biến áp, nâng cao hệ số công suất và giảm độ đập mạch điện áp ra.
    • Chế tạo mô hình phần cứng thực nghiệm, ứng dụng các bộ điều khiển vi xử lý hoặc IC chuyên dụng (như TCA 785) để phát xung điều khiển chính xác góc mở $\alpha$.
    • Xây dựng hệ thống điều khiển tự động vòng kín (phản hồi tốc độ hoặc phản hồi dòng điện) nhằm nâng cao độ ổn định tốc độ động cơ khi phụ tải thay đổi đột ngột.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng tham khảo: Sinh viên, giảng viên và kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện Tự Động Công Nghiệp, Điện tử Công suất và Tự động hóa.
  • Nội dung đáng tham khảo nhất:
    1. Quy trình tính toán máy biến áp lực chỉnh lưu: Toàn bộ các bước từ tính sơ bộ tiết diện mạch từ, đường kính trụ, số bậc thang, số lá thép, số vòng dây từng lớp, kích thước dây chữ nhật chuẩn hóa, cho đến các đại lượng tổn hao ngắn mạch, tổn hao không tải và tổng trở quy đổi.
    2. Phương pháp luận tính chọn van Thyristor công suất: Cách quy đổi dòng hiệu dụng từ dòng tải một chiều, hệ số dự trữ quá điện áp và quá dòng theo điều kiện tản nhiệt công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng thay vì thêm điện trở phụ hay thay đổi từ thông?

Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng ($U_ư$) cho phép giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ tự nhiên, giúp tốc độ động cơ ít bị sụt giảm khi tải tăng. Ngoài ra, phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ vô cấp, triệt để trong toàn dải từ 0 đến tốc độ cơ bản ($n_{cb}$) mà không gây tổn hao nhiệt lớn như dùng điện trở phụ $R_f$, và không làm suy giảm mômen như phương pháp giảm từ thông kích từ.

2. Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có nhược điểm lớn nhất là gì đối với máy biến áp lực?

Nhược điểm lớn nhất là dòng điện chạy qua mỗi cuộn dây thứ cấp máy biến áp là dòng điện một chiều (chỉ dẫn dòng trong $1/3$ chu kỳ), tạo ra từ thông một chiều không đối xứng trong lõi thép máy biến áp 3 trụ. Hiện tượng này làm tăng tổn thất, đòi hỏi dung lượng máy biến áp phải thiết kế lớn hơn ($S_{ba} = 1{,}345 P_{dmax}$) và tiết diện dây trung tính phải lớn hơn dây pha do phải chịu toàn bộ dòng điện tải $I_d$.

3. Van Thyristor được lựa chọn trong mạch động lực có thông số định mức ra sao?

Tác giả đã tính chọn van Thyristor mã hiệu T60N1000VOF với các thông số định mức: Dòng điện định mức $I_{đm} = 60\text{ A}$, điện áp ngược cực đại $U_{nv} = 1000\text{ V}$, dòng đỉnh xung $I_{pik} = 1400\text{ A}$, sụt áp trên van $\Delta U = 1{,}8\text{ V}$, thời gian chuyển mạch $t_{cm} = 180\ \mu\text{s}$, tốc độ tăng áp $du/dt = 1000\text{ V}/\mu\text{s}$, điện áp xung kích $U_{đk} = 1{,}4\text{ V}$, dòng xung kích $I_{đk} = 150\text{ mA}$.

4. Kết cấu lõi thép và dây quấn của máy biến áp 3 pha trong đồ án được thiết kế như thế nào?

Máy biến áp có công suất $19{,}06\text{ kVA}$, gồm 3 trụ lõi thép ghép 6 bậc với đường kính trụ $d = 9\text{ cm}$, chiều cao trụ $21\text{ cm}$, tổng khối lượng thép $98{,}4\text{ kg}$ ($B_T = 1{,}082\text{ T}$). Dây quấn bằng đồng cách điện cấp B gồm: cuộn sơ cấp 253 vòng (6 lớp, dây $9{,}51\text{ mm}^2$), cuộn thứ cấp 136 vòng (8 lớp, dây $17{,}70\text{ mm}^2$), tổng khối lượng đồng là $61{,}68\text{ kg}$.

5. Góc mở $\alpha$ ảnh hưởng như thế nào đến tính liên tục của dòng điện và điện áp tải thuần trở?

Đối với tải thuần trở trong sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha:

  • Khi góc mở $\alpha \le 30^\circ$: Điện áp $U_d$ và dòng điện tải $I_d$ duy trì trạng thái liên tục.
  • Khi góc mở $\alpha > 30^\circ$: Dạng sóng điện áp và dòng điện tải trở nên gián đoạn (xuất hiện các khoảng thời gian điện áp bằng 0 giữa các nhịp dẫn của van).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Vũ Hải Sơn đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật hệ thống truyền động điện một chiều sử dụng bộ chỉnh lưu Thyristor tia 3 pha cấp nguồn cho động cơ DC kích từ độc lập công suất $220\text{ V} - 59{,}5\text{ A}$. Nghiên cứu đã cung cấp bộ thông số tính toán giải tích chi tiết, lựa chọn chính xác linh kiện bán dẫn công suất T60N1000VOF và thiết kế hoàn chỉnh máy biến áp lực khô $19{,}06\text{ kVA}$ với đầy đủ kích thước hình học, số vòng dây và tham số tổn hao. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho sinh viên và kỹ sư ngành Điện Tự Động Công Nghiệp trong việc tính toán thiết kế các bộ biến đổi bán dẫn và máy biến áp chuyên dụng.