Đồ án Thiết kế bộ chỉnh lưu hình cầu 1 pha kép để điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập có đảo chiều

 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
 KHOA ĐIỆN
 ĐỒ ÁN MÔN HỌC
 HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
 ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU HÌNH CẦU 1 PHA KÉP 
 ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 
 CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP CÓ ĐẢO CHIỀU
 Người hướng dẫn: TS. GIÁP QUANG HUY
 Sinh viên thực hiện: 
 Số thẻ sinh viên: 
 Nhóm HP / Lớp: 
 Ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH ẢNH .................................................................................................5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ....................................7
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG:.................................................................................................7
1.1.1 Khái niệm: ..............................................................................................................7
1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều:......................................................................7
1.1.3 Phân loại động cơ điện một chiều: .........................................................................8
1.1.4 Nguyên lý động cơ điện một chiều:........................................................................8
1.2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU:..............................................8
1.2.1 Đặc tính động cơ điện:............................................................................................8
1.2.2 Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:...................................8
1.2.3 Đặc tính cơ tự nhiên: ..............................................................................................9
1.2.4 Đặc tính cơ nhân tạo:............................................................................................10
1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAY ĐỔI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT 
CHIỀU:..............................................................................................................................10
1.3.1 Thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng: .......................................................10
1.3.2 Thay đổi từ thông kích từ của động cơ:................................................................11
1.3.3 Thay đổi điện áp phần ứng của động cơ:..............................................................12
1.4 KẾT LUẬN CHUNG:.................................................................................................13
CHƯƠNG 2: CHỈNH LƯU HÌNH CẦU 1 PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN..............14
2.1 GIỚI THIỆU CHUNG:...............................................................................................14
2.1.1 Khái niệm: ............................................................................................................14
2.1.2 Phân loại: ..............................................................................................................14
2.1.3 Đặc điểm của điện áp và dòng điện chỉnh lưu:.....................................................14
2.2 CHỈNH LƯU HÌNH CẦU 1 PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN..............................15
2.2.1 Sơ đồ mạch nguyên lý: .........................................................................................15
2.2.2 Nguyên lý làm việc:..............................................................................................16
 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 
 2 2.2.3 Điện áp và dòng điện chỉnh lưu:...........................................................................17
2.2.4 Hiện tượng trùng dẫn:...........................................................................................17
2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU: ...............................................18
2.3.1 Khái niệm chung:..................................................................................................18
2.3.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính:.....................................................19
2.3.3 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos:...........................................................19
2.4BỘ CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA KÉP ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN: ........................20
2.4.1 Sơ đồ nguyên lý:...................................................................................................20
2.4.2 Nguyên lý hoạt động: ...........................................................................................20
2.4.3 Phương pháp điều khiển hai bộ biến đổi mắc song song ngược: .........................21
2.5 KẾT LUẬN CHUNG:.................................................................................................25
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐỘNG LỰC.......26
3.1 GIỚI THIỆU CHUNG:...............................................................................................26
3.1.1 Sơ đồ khối mạch động lực:...................................................................................26
3.1.2 Chức năng của từng khối:.....................................................................................26
3.2 TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC: ...........................................................................26
3.2.1 Tính chọn Thyristor:.............................................................................................26
3.2.2 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu:.........................................................................28
3.2.3 Thiết kế bộ lọc:.....................................................................................................31
3.3 KẾT LUẬN CHUNG:.................................................................................................32
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ..................................33
4.1 GIỚI THIỆU CHUNG:...............................................................................................33
4.1.1 Sơ đồ khối điều khiển thyristor: ...........................................................................33
4.1.2 Yêu cầu của mạch điều khiển:..............................................................................33
4.1.3 Nhiệm vụ mạch điều khiển:..................................................................................34
4.1.4 Nguyên tắc điều khiển:.........................................................................................34
4.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG TỪNG KHÂU:...........................................................35
 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 
 3 4.2.1 Khâu đồng pha:.....................................................................................................35
4.2.2 Khâu so sánh:........................................................................................................36
4.2.3 Khâu tạo xung chùm:............................................................................................36
4.2.4 Khâu khuếch đại:..................................................................................................38
4.2.5 Sơ đồ mạch điều khiển: ........................................................................................39
4.3 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ MẠCH ĐIỀU KHIỂN:....................................................39
4.3.1 Tính biến áp xung:................................................................................................40
4.3.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng:...........................................................................40
4.3.3 Chọn cổng AND:..................................................................................................41
4.3.4 Chọn tụ C3 và R9:..................................................................................................41
4.3.5 Tính chọn bộ tạo xung chùm:\..............................................................................42
4.3.6 Tính chọn tầng so sánh:........................................................................................43
4.3.7 Tính chọn khâu đồng pha: ....................................................................................43
4.3.8 Tạo nguồn nuôi:....................................................................................................44
4.3.9 Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha: .................................................45
4.3.10 Chọn các Diode cho bộ chỉnh lưu: .......................................................................46
4.4 KẾT LUẬN CHUNG:.................................................................................................46
CHƯƠNG 5: MẠCH BẢO VỆ VÀ KẾT LUẬN .............................................................47
5.1 GIỚI THIỆU CHUNG:...............................................................................................47
5.2 BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN: ....................................................................................47
5.2.1 Bảo vệ dòng điện quá tải: .....................................................................................47
5.2.2 Bảo vệ dòng điện ngắn mạch:...............................................................................47
5.3 BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP:...........................................................................................48
5.4 SƠ ĐỒ MẠCH BẢO VỆ CỦA MẠCH ĐỘNG LỰC:...............................................51
5.5 KẾT LUẬN CHUNG:.................................................................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................52
 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 
 4 DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1. 1: Hình ảnh động cơ điện một chiều............................................................7
Hình 1. 2: Cấu tạo động cơ điện một chiều. .............................................................7
Hình 1. 3: Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập ...........................8
Hình 1. 4: Hình ảnh đặc tính cơ – điện.....................................................................9
Hình 1. 5: Hình ảnh đặc tính cơ................................................................................9
Hình 1. 6: Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Rf .................................10
Hình 1. 7: Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi 휙..................................11
Hình 1. 8: Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Uư ................................12
Hình 2. 1: Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn .........................16
Hình 2. 2: Sơ đồ và đồ thị u, i của chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển ...................16
Hình 2. 3: Hiện tượng trùng dẫn chỉnh lưu cầu 1 pha. ...........................................17
Hình 2. 4: Đồ thị dạng sóng khi xảy ra hiện tượng trùng dẫn ................................17
Hình 2. 5: Sơ đồ khối điều khiển thyristor .............................................................18
Hình 2. 6: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính.......................................19
Hình 2. 7: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos.............................................19
Hình 2. 8: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha kép điều khiển hoàn toàn ............................20
Hình 2. 9: Sơ đồ hai bộ chinh lưu mắc song song ngược.......................................21
Hình 2. 10: Giản đồ dòng điện điều khiển đảo chiều tuyến tính phụ thuộc. ..........22
Hình 2. 11: Mạch trừ sử dụng OPAMP..................................................................23
Hình 2. 12: Giản đồ dòng điện điều khiển đảo chiều khống chế độc lập...............24
Hình 3. 1: Sơ đồ khối mạch động lực.....................................................................26
Hình 3. 2: Sơ đồ mạch lọc LC ................................................................................31
 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 
 5 Hình 4. 1: Sơ đồ khối điều khiển thyristor. ............................................................33
Hình 4. 2: Sơ đồ mạch khâu đồng pha....................................................................35
Hình 4. 3: Sơ đồ dạng sóng của UA, UB, UC...........................................................35
Hình 4. 4: Sơ đồ mạch khâu so sánh. .....................................................................36
Hình 4. 5: Sơ đồ dạng sóng của UA, UB, UC,UD .....................................................36
Hình 4. 6: Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm..............................................................36
Hình 4. 7: Sơ đồ mạch tạo xung chùm dùng khuếch đại thuật toán.......................37
Hình 4. 8: Sơ đồ dạng sóng UE...............................................................................37
Hình 4. 9: Sơ đồ mạch khâu khuếch đại.................................................................38
Hình 4. 10: Sơ đồ mạch điều khiển thyristor..........................................................39
Hình 4. 11: Giản đồ các đường cong mạch điều khiển...........................................39
Hình 4. 12: Sơ đồ chân IC 4081. ............................................................................41
Hình 4. 13: Sơ đồ chân IC TL084. .........................................................................42
Hình 4. 14: Sơ đồ mạch tạo nguồn nuôi. ................................................................44
Hình 5. 1: Hình ảnh các giai đoạn của dây chảy. ...................................................48
Hình 5. 2: Sơ đồ bảo vệ các thiết bị biến đổi dùng cầu chì. ...................................48
Hình 5. 3:Sơ đồ bảo vệ dùng mạch RLC................................................................49
Hình 5. 4: Hình ảnh dùng mạch RC để bảo vệ quá áp. ..........................................50
Hình 5. 5: Sơ đồ mạch bảo vệ của mạch động lực. ................................................51
 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 
 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG:
1.1.1 Khái niệm:
 Động cơ điện một chiều là loại máy điện một chiều biến điện năng dòng một chiều 
thành cơ năng. 
 Khi máy điện một chiều làm việc ở chế độ động cơ thì công suất đầu vào là công 
suất điện cơ, công suất đầu ra là công suất cơ.
 Hình 1. 1: Hình ảnh động cơ điện một chiều.
1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều:
 Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai thành phần chính gồm: phần tĩnh và 
phần động.
 Hình 1. 2: Cấu tạo động cơ điện một chiều.
 1- Thép, 2- Cực chính với cuộn kích từ, 3- Cực phụ với cuộn dây, 4- Hộp ổ bi, 5- 
Lõi thép, 6- Cuộn phần ứng, 7- Thiết bị chổi, 8 Cỗ góp, 9- Trục, 10- Nắp hộp đấu dây.
 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 
 7 1.1.3 Phân loại động cơ điện một chiều:
 Động cơ điện một chiều được phân loại theo kích từ thành những loại sau:
 • Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được 
 cung cấp từ hai nguồn riêng lẻ.
 • Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc 
 song song với phần ứng.
 • Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối 
 tiếp với phần ứng.
 • Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có hai cuộn dây kích từ, một 
 cuộn mắc song song với phần ứng, một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng.
1.1.4 Nguyên lý động cơ điện một chiều:
 Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên tác dụng của từ trường lên khung dây 
dẫn có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường. Khi hoạt động động cơ điện một chiều 
biến điện năng của dòng điện một chiều thành cơ năng.
1.2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU:
1.2.1 Đặc tính động cơ điện:
 Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen của động 
 cơ: M = f(ω).
1.2.2 Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: nguồn một chiều cấp cho phần ứng và 
cấp cho kích từ độc lập nhau.
 Hình 1. 3: Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập
 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 
 8 Phương trình cân bằng điện áp:
 Uư = Eư +(Rư + Rf).Iư
 • Sức điện động của phần ứng động cơ:
 Eư = Kϕω
 • Momen điện từ của động cơ:
 M = KϕIư
 • Phương trình đặc tính cơ - điện:
 푈ư 푅ư + 푅 
 휔 = ― 
 Kϕ Kϕ ư
 Hình 1. 4: Hình ảnh đặc tính cơ – điện
 • Phương trình đặc tính cơ:
 푈ư 푅ư + 푅 
 휔 = ― 
 Kϕ (Kϕ)2
 Hình 1. 5: Hình ảnh đặc tính cơ
 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 
 9 1.2.3 Đặc tính cơ tự nhiên:
 Đặc tính cơ tự nhiên: là đặc tính cơ có các tham số định mức và không sử dụng 
thêm các thiết bị phụ trợ khác. Mỗi động cơ chỉ có một đặc tính cơ tự nhiên.
 • Phương trình đặc tính cơ – điện tự nhiên:
 푈ư 푅ư
 휔 = ― 
 Kϕ Kϕ ư
 • Phương trình đặc tính cơ tự nhiên:
 푈ư 푅ư
 휔 = ― 
 Kϕ (Kϕ)2
1.2.4 Đặc tính cơ nhân tạo:
 Đặc tính cơ nhân tạo là đặc tính cơ có một trong các tham số khác định mức hoặc 
có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ. Mỗi động cơ có thể có nhiều đặc tính cơ 
nhân tạo.
 • Phương trình đặc tính cơ:
 푈ư 푅ư + 푅 
 휔 = ― 
 Kϕ (Kϕ)2
1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAY ĐỔI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 
 MỘT CHIỀU:
1.3.1 Thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng:
 Từ phương trình đặc tính cơ:
 푈ư 푅ư + 푅 
 휔 = ― 
 Kϕ (Kϕ)2
 Ta thấy rằng khi thay đổi Rf thì 휔표 = 표푛푠푡 còn Δ휔 thay đổi, vì vậy ta sẽ được các 
đường đặc tính điều chỉnh có cùng 휔표 và dốc dần khi R f càng lớn, với tải như nhau thì 
tốc độ càng thấp.
 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS. Giáp Quang Huy 
 10