Đồ án thiết kế chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển động cơ DC - ĐH SPKT Đà Nẵng

Tiểu luận điện tử công suất thiết kế bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển tốc độ động cơ DC kích từ độc lập, phân tích mạch lực và mạch phát xung.

• Tác giả: Nông Văn Tùng
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển động cơ DC

Hệ thống truyền động điện một chiều kích từ độc lập giữ vai trò trọng yếu trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp nặng. Động cơ DC sở hữu đặc tính điều chỉnh tốc độ linh hoạt và mô men khởi động lớn. Để vận hành tối ưu, mạch chỉnh lưu cầu 3 pha sử dụng Thyristor đóng vai trò làm bộ biến đổi điện áp nguồn chính xác. Cấu trúc mạch cầu ba pha đối xứng gồm sáu van bán dẫn điều khiển. Sơ đồ này cung cấp điện áp ngõ ra có độ nhấp nhô thấp và tần số đập mạch cao gấp sáu lần tần số lưới. Khi điều chỉnh góc kích anpha từ không độ đến chín mươi độ, điện áp phần ứng động cơ biến thiên trơn tru theo yêu cầu công nghệ. Giải pháp này giúp loại bỏ hoàn toàn các tiếp điểm cơ khí phức tạp, giảm thiểu tổn hao công suất trên toàn hệ thống. Đồng thời, sơ đồ cầu ba pha còn cân bằng tải giữa các pha của lưới điện xoay chiều, nâng cao hệ số công suất và bảo đảm sự an toàn cho thiết bị.

1.1. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có từ thông kích từ không phụ thuộc vào dòng điện phần ứng. Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ có dạng đường thẳng dốc nhẹ, biểu thị độ cứng cơ học cao. Phương trình đặc tính cơ thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa tốc độ quay và mô men điện từ trên trục. Khi giữ nguyên từ thông định mức và điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng, họ đặc tính cơ nhân tạo dịch chuyển song song xuống dưới. Tốc độ quay của động cơ giảm đều đặn nhưng vẫn duy trì độ cứng cần thiết. Cơ chế này bảo đảm khả năng tải ổn định ngay cả ở vùng tốc độ thấp.

1.2. Nguyên lý chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng

Mạch chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng cấu tạo từ sáu van Thyristor chia thành hai nhóm anôt và catôt chung. Nhóm van catôt chung dẫn dòng tại pha có điện áp dương lớn nhất. Nhóm van anôt chung dẫn dòng tại pha có điện áp âm nhỏ nhất. Mỗi chu kỳ làm việc gồm sáu khoảng chuyển mạch với khoảng cách góc kích giữa các van là sáu mươi độ. Điện áp trung bình ngõ ra phụ thuộc trực tiếp vào biên độ nguồn xoay chiều và góc điều khiển. Mạch tạo ra dạng sóng điện áp ra tương đối liên tục, giảm thiểu đáng kể yêu cầu kích thước đối với bộ lọc san bằng phẳng.

II. Phân tích tham số mạch chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển động cơ DC

Quá trình phân tích thông số mạch động lực là bước then chốt quyết định độ tin cậy của bộ chỉnh lưu. Xét hệ truyền động với động cơ DC công suất định mức mười lăm kilowatt, điện áp định mức hai trăm hai mươi vôn và hiệu suất tám mươi ba phần trăm. Dòng điện định mức phần ứng đạt giá trị xấp xỉ tám mươi hai ampe. Bộ biến đổi cần bù đắp toàn bộ sụt áp trên van bán dẫn, dây dẫn và cuộn kháng máy biến áp. Điện áp không tải của bộ chỉnh lưu được xác định khoảng hai trăm bốn mươi vôn nhằm đảm bảo góc dự trữ ổn định khi lưới điện sụt giảm. Điện áp pha thứ cấp máy biến áp tính toán ở mức một trăm lẻ hai phẩy năm mươi ba vôn. Bên cạnh đó, hiện tượng trùng dẫn do điện cảm tản máy biến áp gây ra sự suy giảm điện áp tải và tạo ra sóng hài bậc cao. Việc tính toán chính xác các hệ số dự trữ điện áp từ một phẩy năm đến một phẩy tám và hệ số dòng điện từ một phẩy một đến một phẩy bốn giúp lựa chọn van Thyristor có khả năng chịu đựng quá tải nhiệt và quá áp an toàn trong công nghiệp.

2.1. Tính toán chọn thiết bị máy biến áp động lực

Máy biến áp chỉnh lưu được chọn là loại ba pha ba trụ kiểu làm mát tự nhiên với tổ đấu dây tam giác sao. Công suất biểu kiến của máy biến áp tính toán dựa trên công suất định mức tải và hệ số công suất mạch động lực. Điện áp pha sơ cấp định mức là ba trăm tám mươi vôn. Điện áp thứ cấp tính toán phải đảm bảo cấp đủ điện áp chỉnh lưu cực đại khi góc kích nhỏ nhất bằng mười độ. Dung lượng máy biến áp phải tính đến tổn hao đồng và sắt từ nhằm ngăn chặn hiện tượng quá nhiệt khi vận hành liên tục dưới tải danh định.

2.2. Tiêu chuẩn lựa chọn van bán dẫn Thyristor

Các thông số then chốt để chọn Thyristor bao gồm dòng điện định mức, điện áp ngược cực đại và tốc độ biến thiên điện áp. Điện áp ngược lớn nhất đặt lên mỗi van tương ứng với biên độ điện áp dây thứ cấp. Dòng điện trung bình qua mỗi van bằng một phần ba dòng điện tải một chiều. Việc chọn van cần dựa trên các hệ số dự trữ an toàn nghiêm ngặt để chống xung sét và ngắn mạch. Van được chọn phải có điện áp điều khiển định mức hai phẩy năm vôn, dòng điều khiển hai trăm miliampe và nhiệt độ tiếp giáp làm việc cho phép tối đa một trăm hai mươi lăm độ C.

III. Giải pháp thiết kế chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển động cơ DC

Giải pháp thiết kế hoàn chỉnh hệ thống bao gồm mạch động lực, mạch điều khiển phát xung và mạch bảo vệ chuyên dụng. Mạch điều khiển áp dụng cấu trúc điều khiển theo nguyên tắc đồng pha đa kênh. Khối đồng pha trích xuất tín hiệu chuẩn từ lưới điện thông qua máy biến áp đồng pha 3 pha riêng biệt. Khối phát điện áp răng cưa tuyến tính hóa quá trình dịch pha xung kích. Bộ so sánh tích hợp vi mạch khuếch đại thuật toán TL084 thực hiện đối sánh điện áp điều khiển với sóng răng cưa để tạo xung vuông chính xác. Tín hiệu xung sau đó được đưa vào tầng điều chế độ rộng và khuếch đại công suất trước khi truyền qua biến áp xung cách ly đến cực điều khiển của Thyristor. Nguồn nuôi mạch điều khiển sử dụng các vi mạch ổn áp tích cực 7812 và 7912 để cung cấp mức điện áp cộng trừ mười hai vôn đối xứng ổn định. Bên cạnh đó, mạng bảo vệ quá áp RC mắc song song từng van kết hợp cầu chì cắt nhanh bảo vệ ngắn mạch và cuộn kháng hạn chế tốc độ tăng dòng.

3.1. Thiết kế mạch điều khiển tạo xung tích hợp vi mạch

Mạch điều khiển sử dụng vi mạch khuếch đại thuật toán TL084 để tối ưu hóa độ chính xác và giảm kích thước bo mạch. Tín hiệu đồng pha dạng sin được lọc sóng hài bậc cao trước khi đưa vào khâu biến đổi thành xung đồng bộ. Tụ nạp xả tạo điện áp răng cưa tuyến tính có độ dốc ổn định trong toàn bộ chu kỳ điện áp lưới. Khâu so sánh xuất xung khi điện áp điều khiển vượt qua điện áp răng cưa. Tầng khuếch đại xung sử dụng tranzito công suất kết hợp biến áp xung nhằm cách ly điện thế cao giữa mạch lực và mạch điều khiển.

3.2. Mạch bảo vệ quá dòng và quá áp cho van công suất

Bảo vệ van bán dẫn là yêu cầu sống còn trong hệ thống chỉnh lưu công suất lớn. Mạch bảo vệ quá điện áp chuyển mạch gồm các nhánh điện trở tụ điện RC mắc song song với từng cực van Thyristor để hấp thụ năng lượng đột biến. Mạch bảo vệ quá dòng kết hợp cầu chì tác động nhanh loại bán dẫn bố trí trực tiếp tại mỗi nhánh van và đầu vào biến áp. Cuộn kháng lọc DC và cuộn kháng xoay chiều sơ cấp hạn chế tốc độ gia tăng dòng ngắn mạch. Ngoài ra, cánh tản nhiệt nhôm làm mát tự nhiên kết hợp cảm biến nhiệt ngắt mạch bảo vệ chống hiện tượng quá nhiệt tiếp giáp van bán dẫn.

IV. Ứng dụng thực tế chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển động cơ DC

Hệ thống chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập khẳng định hiệu quả vượt trội trong các dây chuyền tự động hóa công nghiệp. Mô hình này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống cán thép, máy nâng hạ cầu trục, máy dệt sợi và đầu máy kéo giao thông vận tải. Độ ổn định cao cùng dải điều chỉnh tốc độ sâu dưới tốc độ định mức tạo điều kiện kiểm soát chính xác lực kéo và gia tốc chuyển động. Việc tối ưu hóa góc điều khiển giúp tiết kiệm điện năng tiêu thụ và giảm thiểu tổn thất cơ học trên trục truyền động. Kết quả tính toán thiết kế cho thấy cấu hình mạch cầu ba pha đảm bảo cân bằng tải tốt, độ méo điện áp thấp và kéo dài tuổi thọ cho động cơ. Các cải tiến liên tục về công nghệ vi điều khiển và mạch bán dẫn công suất đang nâng cao độ tin cậy vận hành của hệ thống trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.

4.1. Phạm vi ứng dụng trong các hệ truyền động tải nặng

Trong công nghiệp luyện kim và khai khoáng, các máy cán thép và tời nâng đòi hỏi mô men khởi động cực lớn cùng khả năng đảo chiều quay linh hoạt. Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha cung cấp nguồn điện một chiều ổn định với công suất lên tới hàng trăm kilowatt. Khả năng chịu quá tải dòng điện trong thời gian ngắn giúp hệ truyền động vượt qua các giai đoạn kẹt tải cơ học. Tốc độ đáp ứng nhanh của hệ thống kích từ độc lập hạn chế tối đa độ trễ điều khiển trong chu trình sản xuất liên tục.

4.2. Đánh giá ưu điểm và tiềm năng cải tiến công nghệ

Mạch chỉnh lưu cầu ba pha sở hữu ưu điểm vượt trội về độ gợn sóng điện áp thấp, tổn hao công suất nhỏ và độ bền bỉ cao. Xu hướng công nghệ hiện đại tập trung tích hợp các bộ vi xử lý số DSP và vi điều khiển ARM để tạo góc kích Thyristor tự động. Giải pháp điều khiển số giúp loại bỏ trôi dạt nhiệt độ của linh kiện tương tự, đồng thời cho phép kết nối mạng truyền thông công nghiệp. Hệ thống không chỉ nâng cao hiệu suất truyền động mà còn hỗ trợ chẩn đoán sự cố trực tuyến một cách chuẩn xác.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống truyền động điện công nghiệp và ngành giao thông vận tải, động cơ điện một chiều (đặc biệt là động cơ một chiều kích từ độc lập) được ứng dụng rộng rãi tại các vị trí làm việc có yêu cầu điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng. Để đáp ứng các yêu cầu công nghệ của máy sản xuất với các đặc tính tải cụ thể, hệ truyền động cần tạo ra các đường đặc tính cơ nhân tạo phù hợp thông qua việc can thiệp vào các thông số vận hành của động cơ.

Báo cáo đồ án môn học Điện tử công suất của sinh viên Nông Văn Tùng, dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Thanh Phong tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng (tháng 2 năm 2022), tập trung vào nhiệm vụ thiết kế bộ biến đổi chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển nhằm kiểm soát điện áp phần ứng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu được quy định cụ thể theo đề cương đồ án bao gồm:

1. Xác lập cơ sở lý thuyết về động cơ điện một chiều kích từ độc lập và các phương pháp điều chỉnh tốc độ, trọng tâm là phương pháp thay đổi điện áp phần ứng.
2. Nghiên cứu lý thuyết về các sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha (chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều khiển đối xứng và chỉnh lưu có điều khiển không đối xứng).
3. Thiết kế và tính chọn chi tiết các phần tử trong mạch động lực (tính chọn van bán dẫn Thyristor, tính toán thiết kế máy biến áp chỉnh lưu và thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc).
4. Thiết kế và tính chọn các phần tử trong mạch điều khiển tương tự (khâu đồng pha, khâu so sánh, khâu khuếch đại tạo xung chùm và nguồn nuôi đối xứng).
5. Nghiên cứu mạch bảo vệ và hoàn thiện bản vẽ tổng thể mạch nguyên lý (khổ A1) gồm mạch động lực, mạch điều khiển và mạch bảo vệ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ truyền động điện một chiều sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập công suất định mức $P_{đm} = 15\text{ kW}$, điện áp định mức $U_{đm} = 220\text{ V}$, tốc độ định mức $n_{đm} = 1560\text{ vg/ph}$, hiệu suất định mức $\eta_{đm} = 0,83$, mômen quán tính $J = 0,4\text{ kgm}^2$.
• Phạm vi nghiên cứu: Nguồn cấp xoay chiều từ lưới điện 3 pha $220/380\text{ V}$, tần số $50\text{ Hz}$. Hệ số dự trữ điện áp cho phép $K_u = 1,5 \div 1,8$ (hệ số tính chọn $K_{dtU} = 1,4 \div 1,8$) và hệ số dự trữ dòng điện $K_i = 1,1 \div 1,4$. Nghiên cứu giới hạn ở phạm vi tính toán giải tích mạch điện và thiết kế phần cứng theo tài liệu kỹ thuật môn học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán: Tác giả xây dựng lý thuyết dựa trên mô hình toán học cân bằng điện áp và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

• Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: $U_ư = E_ư + (R_ư + R_f) I_ư$. Trong đó, sức điện động phần ứng được xác định theo biểu thức $E_ư = K \Phi \omega$ (với $K = \frac{pN}{2\pi a}$ là hệ số cấu tạo máy điện).
• Phương trình đặc tính cơ điện: $\omega = \frac{U_ư}{K\Phi} - \frac{R_ư + R_f}{K\Phi} I_ư$.
• Phương trình đặc tính cơ: $\omega = \frac{U_ư}{K\Phi} - \frac{R_ư + R_f}{(K\Phi)^2} M$.
• Lý thuyết chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển đối xứng với biểu thức điện áp trung bình trên tải: $U_d = \frac{3\sqrt{6}}{\pi} U_2 \cos\alpha$.

Phương pháp nghiên cứu:

• Phương pháp phân tích giải tích kỹ thuật: Sử dụng hệ thống công thức giải tích trong giáo trình Điện tử công suất và Truyền động điện để tính chọn các thông số định mức của van bán dẫn, sụt áp mạch động lực, và cân bằng công suất.
• Phương pháp khai triển chuỗi Fourier: Phân tích thành phần sóng hài bậc cao của điện áp và dòng điện ngõ ra bộ chỉnh lưu nhằm xác định biên độ thành phần sóng điều hòa bậc một ($k=1$), từ đó tính toán độ tự cảm cần thiết cho cuộn kháng lọc phần ứng.
• Phương pháp thiết kế điều khiển thẳng đứng tuyến tính: Nguyên tắc so sánh điện áp tựa dạng răng cưa tuyến tính $U_{rc}$ trùng pha với điện áp anode của Thyristor với điện áp điều khiển một chiều $U_{đk}$ để phát xung kích mở chính xác theo góc mở $\alpha$.

Nguồn dữ liệu: Dữ liệu sử dụng trong đồ án bao gồm thông số định mức cho trước của động cơ và nguồn điện; tiêu chuẩn lá thép kỹ thuật điện 0,5 mm và thép 330A; quy chuẩn tính toán theo tài liệu hướng dẫn "Thiết kế thiết bị điện tử công suất" của tác giả Trần Văn Thịnh (2000); thông số kỹ thuật từ datasheet của các linh kiện bán dẫn công suất (Thyristor 36RA50), linh kiện điện tử tương tự (IC TL084, CMOS 4081, vi mạch ổn áp 7812, 7912, Transistor 2SC9111, A564, Diode 1N4009) và lõi ferit xuyến HM OA-22/30-5.

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 bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Chương này khảo sát chi tiết cấu tạo gồm hai phần chính: Stato (cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn kích từ trên lõi thép đúc) và Roto (lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và chổi than). Nguyên lý sinh mômen điện từ quay dựa trên lực tác dụng từ trường tuân theo quy tắc bàn tay trái và sức phản điện $E_ư$ ngược chiều dòng điện phần ứng.

Tác giả tiến hành phân tích, so sánh ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều:

Tiêu chí	Điều chỉnh điện trở phụ phần ứng ($R_f$)	Thay đổi từ thông kích từ ($\Phi$)	Thay đổi điện áp phần ứng ($U_ư$)
Chiều điều chỉnh tốc độ	Chỉ điều chỉnh giảm dưới tốc độ định mức ($\omega < \omega_{đm}$)	Chỉ điều chỉnh tăng trên tốc độ định mức ($\omega > \omega_{đm}$)	Điều chỉnh giảm dưới tốc độ định mức ($\omega < \omega_{đm}$)
Độ cứng đặc tính cơ ($\beta$)	Độ cứng giảm, đặc tính dốc khi tăng điện trở phụ	Độ cứng giảm khi giảm từ thông	Giữ nguyên độ cứng đặc tính cơ ($\beta = \text{const}$)
Tính liên tục	Điều khiển nhảy cấp qua các cấp điện trở	Điều khiển trơn, liên tục	Điều khiển trơn, liên tục trên toàn dải
Dải điều chỉnh ($D$)	Hẹp, phụ thuộc tải ($D = 3:1$)	Hẹp ($D = 3:1$)	Rộng ($D = 10:1$ ở hệ hở, lớn hơn ở hệ kín)
Hiệu suất năng lượng	Thấp, tổn hao nhiệt lớn trên điện trở phụ	Cao, tổn hao mạch kích từ nhỏ ($1 \div 10% I_{đm}$)	Cao, không phát sinh tổn hao phụ trên biến trở

Từ kết quả so sánh, tác giả chọn phương pháp thay đổi điện áp phần ứng vì bảo đảm đặc tính cơ có độ cứng cao, điều chỉnh trơn và dễ tự động hóa khi kết hợp với bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn.

Chương 2: Lý thuyết về chỉnh lưu cầu ba pha

Chương 2 trình bày nguyên lý của ba cấu hình chỉnh lưu cầu ba pha:

• Chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển: Dùng 6 Diode, điện áp trung bình tải $U_{tb} = 2,34 U_p$, số lần đập mạch $m=6$, dòng điện qua mỗi van dẫn trong khoảng $1/3$ chu kỳ ($I_{Dtb} = I_d / 3$, $I_{Dhd} = I_d / \sqrt{3}$), điện áp ngược cực đại $U_{ND} = \sqrt{6} U_{2f} = 2,45 U_{2f}$, công suất máy biến áp $S_{BA} = 1,05 U_d I_d$.
• Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển đối xứng: Gồm 6 Thyristor chia làm 2 nhóm (nhóm Anode: $T_1, T_3, T_5$; nhóm Catode: $T_2, T_4, T_6$). Mỗi thời điểm cần cấp đồng thời 2 xung điều khiển theo đúng thứ tự pha để thông dòng giữa 2 pha. Khi góc mở $\alpha > 60^\circ$ với tải thiếu điện cảm, dòng tải chuyển sang chế độ gián đoạn.
• Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng: Một nhóm van điều khiển kết hợp một nhóm Diode không điều khiển; điện áp trung bình tải tính theo công thức $U_{tb} = \frac{3\sqrt{6}}{2\pi} U_{2} (1 + \cos\alpha)$. Tuy mạch điều khiển đơn giản hơn nhưng thành phần sóng hài bậc cao lớn hơn. Do yêu cầu chất lượng điện áp và hiệu suất sử dụng biến áp, phương án chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng được chọn cho mạch động lực.

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

Chương này thực hiện toàn bộ các tính toán giải tích mạch động lực:

• Tính chọn van Thyristor: Dòng điện tải định mức tính từ thông số động cơ: $$I_d = \frac{P_{đm}}{\eta_{đm} U_{đm}} = \frac{15000}{0,83 \times 220} = 82,15\text{ A}$$ Dòng điện hiệu dụng qua mỗi van: $I_{lv} = I_{hd} = \frac{82,15}{\sqrt{3}} = 47,43\text{ A}$. Dòng định mức van có hệ số dự trữ $K_i$: $I_{đm} = 1,4 \times 47,43 = 66,40\text{ A}$. Điện áp ngược cực đại có dự trữ: $U_{nv} = 414,68\text{ V} \approx 415\text{ V}$. Tác giả chọn 6 Thyristor loại 36RA50 ($U_{nv} = 500\text{ V}$, $I_{đm} = 80\text{ A}$, dòng đỉnh xung $I_{pik} = 1200\text{ A}$, sụt áp $\Delta U = 2,5\text{ V}$, $t_{cm} = 190\ \mu\text{s}$, $T_{max} = 125^\circ\text{C}$).
• Tính toán máy biến áp ba pha: Kiểu 3 trụ, làm mát tự nhiên bằng không khí, đấu dây $\Delta/Y$. Công suất biểu kiến tính được $S_{BA} = 18975,9\text{ VA} \approx 18,98\text{ kVA}$. Điện áp sơ cấp $U_p = 380\text{ V}$. Điện áp thứ cấp pha $U_2 = 102,53\text{ V}$ (với $U_{do} = 239,84\text{ V}$, tính đến sụt áp trên van $\Delta U_v = 1,5\text{ V}$, trên biến áp $\Delta U_{ba} = 13,2\text{ V}$ và góc dự trữ $\alpha_{min} = 10^\circ$). Dòng hiệu dụng thứ cấp $I_2 = 67,07\text{ A}$, sơ cấp $I_1 = 18,09\text{ A}$.
• Kết cấu máy biến áp: Tiết diện trụ $Q_{Fe} = 67,48\text{ cm}^2$, đường kính trụ tiêu chuẩn $d = 9,5\text{ cm}$, chiều cao trụ $h = 22\text{ cm}$. Số vòng dây mỗi pha: sơ cấp $W_1 = 254$ vòng (8 lớp), thứ cấp $W_2 = 68$ vòng (3 lớp). Dây dẫn đồng tiết diện chữ nhật cấp cách điện B ($S_1 = 6,61\text{ mm}^2$, $S_2 = 25,6\text{ mm}^2$). Khối lượng sắt $M_{Fe} = 88,2\text{ kg}$, khối lượng đồng $M_{Cu} = 42,72\text{ kg}$. Thông số quy đổi thứ cấp: $R_{BA} = 0,0535\ \Omega$, $X_{BA} = 0,09\ \Omega$, tổng trở ngắn mạch $Z_{BA} = 0,104\ \Omega$. Dòng ngắn mạch tức thời cực đại $I_{max} = 1609\text{ A} < I_{pik} = 1800\text{ A}$ (thỏa mãn khả năng chịu đựng của van).
• Tính chọn cuộn kháng lọc: Với dải điều chỉnh $D = 20$, điện áp tải cực tiểu $U_{d min} = 41,1\text{ V}$, góc mở cực đại $\alpha_{max} = 80,14^\circ$. Sóng hài bậc 1 ($k=1$) có biên độ điện áp đập mạch $U_{1m} = 81,05\text{ V}$. Để hạn chế đập mạch dòng điện $I_{1m} \le 10% I_{đm} = 8,215\text{ A}$, tổng điện cảm yêu cầu là $L = 5,23\text{ mH}$. Sau khi trừ điện cảm nội tại của phần ứng động cơ, độ tự cảm cuộn kháng lọc cần chế tạo là $L_k = 2,6068\text{ mH}$, dòng hiệu dụng qua cuộn kháng $I_k = 82,35\text{ A}$. Thiết kế kết cấu dùng lá thép 330A dày 0,35 mm ($a = 20\text{ mm}, b = 25\text{ mm}$), số vòng dây quấn $W = 64$ vòng, tiết diện dây $S_k = 30\text{ mm}^2$.

Chương 4: Thiết kế - tính chọn các thiết bị mạch điều khiển

Chương 4 thiết kế hệ thống điều khiển tương tự theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính:

• Cấu trúc gồm ba khâu chính: Khâu đồng pha tạo điện áp răng cưa $U_{rc}$ đồng pha với điện áp anode; Khâu so sánh xác định thời điểm $U_{đk} = U_{rc}$ để lật trạng thái; Khâu khuếch đại và tạo xung chùm cung cấp tín hiệu mở dốc, đủ biên độ và độ rộng cho cực Gate của Thyristor.
• Tính toán tầng khuếch đại và máy biến áp xung: Tác giả tính toán ngược từ cực điều khiển van ($U_{đk} = 2,0\text{ V}$, $I_{đk} = 100\text{ mA}$, thời gian chuyển mạch $t_{cm} = 190\ \mu\text{s}$, độ rộng xung $t_x = 380\ \mu\text{s}$, tần số xung $f_x = 1,315\text{ kHz}$). Sử dụng lõi ferit xuyến tròn loại OA-22/30-5 ($Q = 0,2\text{ cm}^2$, thể tích $V = 1,64\text{ cm}^3$, đường kính trong $d = 22\text{ mm}$, ngoài $D = 30\text{ mm}$), tỷ số biến áp $m = 3$. Số vòng dây sơ cấp $W_1 = 380$ vòng, thứ cấp $W_2 = 127$ vòng (đường kính dây $d_2 = 0,2\text{ mm}$).
• Tầng khuếch đại công suất: Sử dụng Transistor NPN 2SC9111 ($U_{CBO} = 40\text{ V}$, $I_{Cmax} = 500\text{ mA}$, $P_c = 1,7\text{ W}$, $\beta = 50$, dòng làm việc $I_{C3} = 50\text{ mA}$), điện trở tải $R_{10} = 120\ \Omega$. Cổng logic AND sử dụng IC CMOS 4081 nguồn $12\text{ V}$. Tụ ghép nối tầng $C_3 = 4,22\text{ nF}$ và $R_9 = 9\text{ k}\Omega$ để giảm công suất tiêu tán tĩnh trên transistor.
• Tầng so sánh và tạo xung chùm: Dùng IC khuếch đại thuật toán đa năng 4 kênh TL084 của hãng Texas Instruments. Tần số chùm xung tạo ra $f = 1,315\text{ kHz}$ với tụ $C_2 = 0,1\ \mu\text{F}$, biến trở tinh chỉnh $R_8 = 4\text{ k}\Omega$. Điện trở lối vào tầng so sánh chọn $R_4 = R_5 = 15\text{ k}\Omega$, chiết áp đặt $R_{11} = 50\text{ k}\Omega$.
• Khâu đồng pha và nguồn nuôi: Khâu đồng pha dùng Transistor PNP loại A564 ($U_{CBO} = 25\text{ V}$, $I_{cmax} = 100\text{ mA}$, $\beta = 250$), biến trở $R_3 > 50\text{ k}\Omega$, tụ nạp $C_1 = 0,1\ \mu\text{F}$, điện trở hạn dòng $R_2 = 30\text{ k}\Omega$. Mạch nguồn nuôi tạo điện áp đối xứng $\pm 12\text{ V}$ sử dụng máy biến áp hạ áp kết hợp bộ chỉnh lưu 12 Diode 1N4009 và hai vi mạch ổn áp 3 chân 7812 (+12V) và 7912 (-12V).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật được xây dựng theo kiến trúc liên kết phân tầng từ nguồn điện lưới xoay chiều đến động cơ chấp hành:

Lưới điện xoay chiều 3 pha (220/380V, 50Hz)

Mạch điều khiển tương tự (Nguồn nuôi ±12V qua 7812/7912):

Bảng tổng hợp chủng loại linh kiện và vật tư kỹ thuật được tính chọn:

Phân hệ	Tên phần tử / Thiết bị	Mã hiệu / Quy cách	Thông số kỹ thuật danh định
Mạch lực	Van bán dẫn chỉnh lưu	Thyristor 36RA50	$U_{nv} = 500\text{ V}$, $I_{đm} = 80\text{ A}$, $\Delta U = 2,5\text{ V}$, $t_{cm} = 190\ \mu\text{s}$
Mạch lực	Máy biến áp chỉnh lưu	3 pha 3 trụ $\Delta/Y$	$S_{BA} = 18,98\text{ kVA}$, $U_1/U_2 = 380/102,53\text{ V}$, thép dày $0,5\text{ mm}$
Mạch lực	Cuộn kháng lọc dòng	Lõi thép 330A	$L_k = 2,61\text{ mH}$, $I_{đm} = 82,15\text{ A}$, $W = 64$ vòng, lá thép dày $0,35\text{ mm}$
Mạch ĐK	Biến áp xung cách ly	Lõi ferit OA-22/30-5	$m = 3$, $W_1 = 380$ vòng, $W_2 = 127$ vòng, $d_2 = 0,2\text{ mm}$
Mạch ĐK	Transistor khuếch đại xung	2SC9111 (NPN)	$U_{CBO} = 40\text{ V}$, $I_{Cmax} = 500\text{ mA}$, $P_c = 1,7\text{ W}$, $\beta = 50$
Mạch ĐK	IC khuếch đại thuật toán	TL084 (Texas Inst.)	4 kênh OP-AMP, $V_{cc} = \pm 12\text{ V}$, tốc độ tăng áp $13\text{ V/\mu s}$
Mạch ĐK	Cổng logic phối hợp xung	CMOS 4081	4 cổng AND 2 lối vào, $V_{cc} = 3 \div 18\text{ V}$, tiêu thụ $2,5\text{ mW/cổng}$
Mạch ĐK	Transistor xả tụ đồng pha	A564 (PNP)	$U_{CBO} = 25\text{ V}$, $I_{cmax} = 100\text{ mA}$, $\beta = 250$
Mạch ĐK	Vi mạch ổn áp nguồn	7812 và 7912	Điện áp ra ổn định $+12\text{ V}$ và $-12\text{ V}$, dòng ra tối đa $1\text{ A}$
Mạch ĐK	Diode chỉnh lưu tín hiệu	1N4009	$I_{đm} = 10\text{ A}$, $U_N = 25\text{ V}$, sụt áp thuận $U_m = 1\text{ V}$

Kiểm tra an toàn kỹ thuật:

• Kiểm tra quá dòng sự cố: Dòng ngắn mạch tức thời lớn nhất qua van tính toán được là $I_{max} = 1609\text{ A}$, nhỏ hơn dòng đỉnh xung cho phép của Thyristor 36RA50 ($I_{pik} = 1800\text{ A}$).
• Kiểm tra diện tích cửa sổ lõi từ: Hệ số lấp đầy của máy biến áp động lực và biến áp xung ($Q_{CS} = 3,82\text{ cm}^2$) đều bảo đảm đủ không gian bố trí các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có kèm cách điện.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán định lượng chính trong văn bản:

• Thiết lập hoàn chỉnh thông số bộ biến đổi chỉnh lưu cầu ba pha cấp nguồn cho động cơ DC $15\text{ kW}$ ($82,15\text{ A}$, $220\text{ V}$), vận hành với dải điều chỉnh $D = 20$.
• Xác định góc mở van giới hạn: góc mở cực tiểu $\alpha_{min} = 10^\circ$ (bù suy giảm điện áp lưới) và góc mở cực đại $\alpha_{max} = 80,14^\circ$ ứng với tốc độ và điện áp cực tiểu $U_{d min} = 41,1\text{ V}$.
• Thiết kế máy biến áp động lực ba pha công suất $18,98\text{ kVA}$, tỷ số biến áp pha $380 / 102,53\text{ V}$, tổng trở ngắn mạch thứ cấp $0,104\ \Omega$, tổn hao ngắn mạch $3,8%$, khối lượng vật liệu gồm $88,2\text{ kg}$ sắt và $42,72\text{ kg}$ đồng.
• Thiết kế cuộn kháng lọc $L_k = 2,61\text{ mH}$, đáp ứng yêu cầu khống chế biên độ đập mạch thành phần dòng xoay chiều bậc một không vượt quá $10%$ dòng định mức ($I_{1m} \le 8,215\text{ A}$).

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất:

• Ứng dụng giải pháp phát chùm xung qua cổng AND (kết hợp xung so sánh và chùm xung đa hài tần số $1,315\text{ kHz}$) giúp kích mở van Thyristor chắc chắn, đồng thời bố trí tụ nối tầng $C_3$ để ngắt dòng tĩnh qua transistor lái, giảm công suất tổn hao nhiệt trên tầng khuếch đại cuối.
• Dùng biến áp xung lõi ferit xuyến nhằm cách ly điện thế tuyệt đối giữa mạch lực điện áp cao ($380\text{ V}$) và mạch điều khiển tín hiệu nhỏ ($\pm 12\text{ V}$).
• Tích hợp cuộn kháng lọc nối tiếp mạch phần ứng nhằm triệt tiêu sóng hài bậc cao, mở rộng biên độ dòng điện liên tục và cải thiện điều kiện chuyển mạch của chổi than cổ góp.

Đóng góp của đồ án: Cung cấp một tài liệu thiết kế phần cứng chi tiết, logic, hoàn chỉnh từ tính toán giải tích mạch động lực, kết cấu máy biến áp, kết cấu cuộn kháng đến việc định trị linh kiện cụ thể cho từng khâu trong mạch điều khiển tương tự, bám sát các tiêu chuẩn tính toán kỹ thuật điện tử công suất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế:

• Văn bản dừng lại ở phần tính toán mạch điều khiển (Chương 4), chưa trình bày chi tiết nội dung Chương 5 về mạch bảo vệ quá dòng (cầu chì nhanh), bảo vệ quá áp (mạch RC Snubber, chống sét van) và tính toán cánh tản nhiệt cho Thyristor.
• Hệ thống điều khiển được thiết kế theo cấu trúc điều khiển vòng hở; theo phân tích của chính tác giả ở Chương 1, hệ hở chỉ duy trì dải điều chỉnh mômen không đổi trong phạm vi $D \le 10$ và khó duy trì sai số tĩnh khi tải thay đổi đột ngột.
• Thiếu các kết quả đo đạc thực nghiệm trên mô hình thực tế hoặc kết quả mô phỏng kiểm chứng dạng sóng (như trên Matlab/Simulink hoặc PSIM).

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Thiết kế bổ sung hệ thống bảo vệ toàn diện cho mạch van: Mạch dập xung điện áp $RC$ mắc song song từng Thyristor và rơle nhiệt bảo vệ quá tải.
• Xây dựng hệ thống điều khiển vòng kín hai mạch vòng (mạch vòng điều chỉnh dòng điện phần ứng bên trong và mạch vòng điều chỉnh tốc độ bên ngoài) để nâng cao độ cứng đặc tính cơ và giảm sai số tĩnh.
• Triển khai mô phỏng kiểm chứng dạng sóng điện áp và dòng điện tức thời trên phần mềm chuyên ngành trước khi chế tạo mạch in thực tế.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án môn học này là tài liệu tham khảo phù hợp cho:

• Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện tử công suất, Cơ điện tử khi thực hiện đồ án môn học Điện tử công suất, Truyền động điện hoặc khóa luận tốt nghiệp về thiết kế bộ biến đổi bán dẫn.
• Kỹ sư thiết kế phần cứng truyền động điện cần quy trình tính toán kích thước hình học, kết cấu dây quấn và tổn hao của máy biến áp lực ba pha cũng như cuộn kháng lọc dòng một chiều.

Nội dung có giá trị tham khảo cao nhất:

• Phương pháp tính toán máy biến áp lực 3 pha từ công suất biểu kiến, tiết diện trụ, tính số lá thép theo bậc thang hình trụ đến các thông số ngắn mạch quy đổi.
• Quy trình phân tích sóng hài Fourier để xác định giá trị độ tự cảm cho cuộn kháng lọc phần ứng.
• Sơ đồ nguyên lý và cách lựa chọn giá trị linh kiện chi tiết (R, C, Transistor, IC TL084) của mạch điều khiển tương tự theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả chọn phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng thay vì thay đổi từ thông hoặc mắc điện trở phụ? Theo phân tích ở Chương 1, phương pháp mắc điện trở phụ gây tổn hao công suất rất lớn dưới dạng nhiệt và làm mềm đặc tính cơ, trong khi phương pháp giảm từ thông chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ tăng lên trên tốc độ định mức. Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng giữ nguyên được độ cứng đặc tính cơ ($\beta = \text{const}$), cho phép điều chỉnh trơn từ tốc độ định mức trở xuống với hiệu suất cao và dải điều chỉnh rộng ($D = 10:1$).

2. Các thông số kỹ thuật cốt lõi của van bán dẫn Thyristor được chọn trong mạch động lực là gì? Tác giả chọn 6 van Thyristor loại 36RA50 với các thông số định mức: Điện áp ngược cực đại $U_{nv} = 500\text{ V}$, dòng điện định mức $I_{đm} = 80\text{ A}$, đỉnh xung dòng điện $I_{pik} = 1200\text{ A}$ (khả năng chịu xung ngắn mạch đến $1800\text{ A}$), sụt áp thuận lớn nhất $\Delta U = 2,5\text{ V}$, thời gian chuyển mạch $t_{cm} = 190\ \mu\text{s}$, dòng điều khiển $I_{đk} = 100 \div 200\text{ mA}$, điện áp điều khiển $U_{đk} = 2,0 \div 2,5\text{ V}$.

3. Máy biến áp động lực ba pha được tính toán với kết cấu và thông số điện thế nào? Máy biến áp có sơ đồ đấu dây $\Delta/Y$, công suất biểu kiến $S_{BA} = 18975,9\text{ VA} \approx 18,98\text{ kVA}$, điện áp $380 / 102,53\text{ V}$, dòng điện sơ cấp $18,09\text{ A}$, thứ cấp $67,07\text{ A}$. Mạch từ có đường kính trụ $d = 9,5\text{ cm}$, chiều cao $h = 22\text{ cm}$, số vòng dây mỗi pha là $W_1 = 254$ vòng và $W_2 = 68$ vòng. Điện trở quy đổi $R_{BA} = 0,0535\ \Omega$, điện kháng $X_{BA} = 0,09\ \Omega$, tổng trở ngắn mạch $Z_{BA} = 0,104\ \Omega$.

4. Tiêu chí nào được sử dụng để tính toán độ tự cảm của cuộn kháng lọc $L_k$? Độ tự cảm được tính toán dựa trên biên độ sóng điều hòa bậc một ($k=1$) từ khai triển Fourier tại góc mở lớn nhất $\alpha_{max} = 80,14^\circ$, với yêu cầu biên độ thành phần dòng xoay chiều không vượt quá $10%$ dòng định mức ($I_{1m} \le 8,215\text{ A}$). Kết quả tính toán đưa ra độ tự cảm cuộn kháng cần chế tạo là $L_k = 2,6068\text{ mH}$, quấn $W = 64$ vòng trên mạch từ thép 330A dày $0,35\text{ mm}$.

5. Khâu tạo xung điều khiển trong đồ án sử dụng các loại linh kiện tích hợp nào? Mạch điều khiển sử dụng IC khuếch đại thuật toán TL084 (Texas Instruments) để tạo xung răng cưa đồng pha và so sánh điện áp; IC logic CMOS 4081 thực hiện cổng logic AND để phối hợp chùm xung; Transistor NPN 2SC9111 khuếch đại công suất lái biến áp xung xuyến ferit OA-22/30-5; Transistor PNP A564 dùng trong khâu xả tụ đồng pha; và hai IC ổn áp 7812, 7912 cung cấp nguồn nuôi đối xứng $\pm 12\text{ V}$.

Kết luận

Đồ án môn học Điện tử công suất của sinh viên Nông Văn Tùng đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển đối xứng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập công suất $15\text{ kW}$. Toàn bộ các hạng mục từ mạch lực (máy biến áp $18,98\text{ kVA}$, 6 Thyristor 36RA50, cuộn kháng lọc $2,61\text{ mH}$) đến mạch điều khiển tương tự (nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính dùng IC TL084, CMOS 4081 và biến áp xung lõi ferit) đều được tính toán giải tích rõ ràng, nhất quán với số liệu ban đầu. Công trình thể hiện tính khoa học, chuẩn xác về mặt kỹ thuật và là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, kỹ sư ngành Điện - Điện tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về ĐCĐ 1 chiều GVHD: T.S Phạm Thanh Phong chính là tổn hao trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ. Eb =Eư + Iư (Rb + Rưđ ) 2 I ư Eư =Iư Eư + I ư (Rb + Eưđ ) - Nếu đặt Rb +Eưđ=R thì hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ sẽ là: Rb. Eư+Iư2 R ω+ ω¿ ηư = ¿ ¿ ¿ ω + MR - Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mômen do động cơ sinh ra đúng bằng mômen tải trên trục: M ¿=M¿c và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ tải là M ¿c=(ω¿)x thì: η = ω ¿ ư ω¿+ R¿ .( ω¿)x−1 SVTH: Nông Văn Tùng 13 Chương 4: Thiết kế, tính chọn phần tử mạch điều khiển GVHD: T.S Phạm Thanh Phong CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT VỀ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA I. Chỉnh lưu không điều khiển: 4.

Sơ đồ và dạng sóng: Hình 2. Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển Hình 2. Dạng sóng của sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển 5. Nguyên lý hoạt động: Khi θ1 < θ < θ2: Điện áp pha a cao nhất, pha b thấp nhất D1, D6 mở (D6, D1).

Khi θ2 < θ < θ3: Điện áp pha a cao nhất, pha b thấp nhất D1, D2 mở (D1, D2). SVTH: Nông Văn Tùng 14 Chương 4: Thiết kế, tính chọn phần tử mạch điều khiển GVHD: T.S Phạm Thanh Phong Khi θ3 < θ < θ4: Điện áp pha b cao nhất, pha c thấp nhất D3, D2 mở (D2, D3). Khi θ4 < θ < θ5: Điện áp pha b cao nhất, pha a thấp nhất D3, D4 mở (D3, D4). Khi θ5 < θ < θ6: Điện áp pha c cao nhất, pha a thấp nhất D4, D5 mở (D4, D5).

Khi θ6 < θ < θ7: Điện áp pha c cao nhất, pha b thấp nhất D5, D6 mở (D5, D6). Ta có: Điện áp trung bình ở lối ra là: Utb = 2,34Up 6. Thông số của sơ đồ: Điện áp trung bình trên tải 4π 6 6 2. 3 Trị dòng điện trung bình qua tải U d Id = R d 1 Mỗi diode dẫn điện trong khoảng thời gian 3 chu kỳ của điện áp nguồn.

Do đó, trị trung bình dòng điện qua diode I IDtb = 3d Trị số dòng điện hiệu dụng I IDhd = √3d Điện áp ngược cực đại của van UND = √2 √3U2f = 2,45.U2f = (2,452,34 )U d Công suất biến áp S1 BA +S2 BA SBA = = 1,05UdId 2 Số lần đập mạch trong một chu kì m = 6 II. Chỉnh lưu có điều khiển đối xứng: 7. Giới thiệu: Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng có thể coi như hai sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha mắc ngược chiều nhau, ba Thyristor T1, T3, T5 tạo thành một chỉnh lưu tia ba pha cho điện áp (+) tạo thành nhóm anod, còn T2, T4, T6 là một chỉnh lưu tia cho ta điện áp âm (-) tạo thành nhóm catod, hai chỉnh lưu này ghép lại thành cầu ba pha. SVTH: Nông Văn Tùng 15 Chương 4: Thiết kế, tính chọn phần tử mạch điều khiển GVHD: T.S Phạm Thanh Phong Hình 2.

Sơ đồ động lực chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển đối xứng 8. Hoạt động của chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển đối xứng: Hình 2. Giản đồ các đường cong cơ bản chỉnh =60lưucầu, =90bapha điều khiển đối xứng và điện áp tải khi góc mở 0 0 Dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm cần mở Thyristor chúng ta cần cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở nhóm anod (+), một xung ở nhóm catod (-)).