Báo cáo Điện tử công suất: Trình bày phương pháp lọc điện bằng bộ lọc LC.

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
VIỆN KINH TẾ BƯU ĐIỆN

BÁO CÁO
MƠN HỌC: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
NHĨM MƠN HỌC:07
Giảng viên: Nguyễn Thị Thanh
Thành viên nhóm: 1. Vũ Minh Tuấn - B19DCDT207 (NT)
2. Nguyễn Tá Thế - B19DCDT235
3. Vũ Minh Thụ - B19DCDT239
4. Nguyễn Việt Anh – B19DCDT015
5. Phan Hoài Nam – B19DCDT155
6. Phạm Xuân Gia Bảo – B19DCDT017

Hà Nội 2022


BÀI TẬP LỚN NHĨM 7
I.Câu hỏi lý thuyết
Câu 7: Trình bày về q trình khố khơng cho dịng chảy qua của Tiristo
Hiện tượng ngắt SCR: quá trình chuyển từ trạng thái dẫn điện sang không dẫn điện
(tức trạng thái nghịch hoặc trạng thái khóa). Q trình này gồm hai giai đoạn:
1/- Giai đoạn làm dòng thuận bị triệt tiêu: thực hiện bằng cách thay đổi điện trở hoặc
điện áp giữa anode và cathode.
2/- Giai đoạn khơi phục khả năng khóa của thyristor. Sau khi dịng thuận bị triệt tiêu,
cần có một thời gian - thời gian ngắt, để chuyển thyristor vào trạng thái khóa.

Câu 17: Trình bày phương pháp lọc điện bằng bộ lọc LC.

- Để lọc tốt các thành phần xoay chiều của điện áp gợn sóng thì cuộn chặn phải có Lch sao cho:
XLch = mwLch >> Rt

rLch << Rt
Và giá trị của C sao cho X = << R
Trong đó m là số xung dịng chính lưu trong 1 chu kỳ, m phụ thuộc sơ đồ chỉnh lưu .
ω: tần số góc của điện mạng.
Lch: điện cảm của cuộn chặn
rLch: điện trở thuần dây cuốn cuộn chặn
- Tính tốn các trị số của bộ lọc:
* Tính trị số C:
Theo yêu cầu của tải, được cung cấp điện áp một chiều U0 với hệ số gợn sóng là g.


Vậy:
Với sơ đồ chỉnh lưu được sử dụng (biết m)

Ta có:
Với f = 50Hz và C = [μF]

Thì

(3.56)

- Điện áp xoay chiều đầu ra của bộ lọc LC

Hệ số lọc q của bộ lọc LC

(3.57)
q = m2ω2LchC –1
Vì m2ω2LchC >> 1 nên bỏ qua 1, ta có:
q = m2ω2LchC q

(3.58)

* Tính Lch:

- Hiệu suất của bộ lọc LC

(3.59)
-

Thường thì
nên hiệu suất của bộ lọc LC cao và q tỷ lệ với m2ω2 nên hiệu quả lọc rất
cao.
Những cuộn chặn ở tần số điện lưới có thể tích, trọng lượng lớn và giá thành đắt.

Câu 27: Trình bày phương pháp bảo vệ quá tải cho các bộ biến đổi .


a) Mạch bảo vệ thụ động
Trên sơ đồ hình 6.3, điện trở công suất R2 mắc nối tiếp với PTHC Q1 và với tải, nhằm giảm
điện áp rơi trên Q1, khi dòng tải tăng và nhất là khi bị ngắn mạch đầu ra
(Rt = 0), thì tồn bộ cơng suất của nguồn vào đều đặt trên R2 và trên Q1. Trường hợp này nếu khơng
có R2 thì Q1 sẽ tiêu hao tồn bộ cơng suất của nguồn vào khi đầu ra ngắn mạch, Q1 sẽ bị quá tải, dẫn
đến dễ bị phá hỏng. R2 tránh quá tải cho Q1 một cách thụ động. Khi mạch làm việc bình thường thì
R2 cũng tiêu hao năng lượng của nguồn, vì vậy hiệu suất của bộ ổn định thấp, mạch bảo vệ thụ động
chỉ sử dụng trong các bộ ổn định công suất nhỏ.
b) Mạch bảo vệ tích cực
+ Dùng transistor:


Uch

R2

R1

Uv

R3

IT

ZD

R5
VR1

R4


Ur
Uht
+

0,6V
Uch

D1

D2
+

R2

Q3

Trong sơ đồ hình 6.11, Q1, Q2 là PTHC, Q3 khuếch đại sai lệch.
Q4, R3 là mạch bảo vệ tích cực làm nhiệm vụ hạn chế dòng cho PTHC (Q1, Q2). R3 là điện trở
cảm biến dòng, R3 nối giữa cực B và E của Q4, điện áp rơi trên R3 phân cực cho Q4. Trị số của R3 sao
cho trong điều kiện dịng tải bình thường, điện áp rơi trên Re URe < 0,7 V, chưa đến ngưỡng dẫn của
Q4 và Q4 khơng có tác dụng trong mạch. Khi dòng tải It tăng, điện áp rơi UR3 tăng theo cho đến khi
UR3 ≥0,7V thì Q4 dẫn, dịng IC4 chảy qua R1 làm điện áp rơi trên R1 tăng và điện áp cực gốc Q2 giảm,
Q2, Q1giảm độ khuếch đại và điện trở tương đương góp – phát Q1 tăng, điện áp rơi trên Q1 tăng làm
điện áp ra giảm, kéo dịng tải It trở lại giá trị bình thường.
R3 trong sơ đồ hình 6.11 so với sơ đồ hình 6.3, R3 có trị số nhỏ hơn nhiều so với R2, nên tổn
hao ít hơn, và R3 có tác dụng điều chỉnh độ dẫn của Q1, Q2 trong khi R2 của sơ đồ
hình 6.11chỉ đơn thuần giảm cơng suất tiêu tán cho Q1.
+ Dùng diode: ta cũng có thể dùng diode làm mạch hạn chế dòng để thay thế cho transistor như
trong sơ đồ hình 6.12
Mạch hạn chế dịng gồm D1, D2, R3.


D1,

Khi dịng tải bình thường, điện áp rơi trên R3; UR3 < 0,7V, do đó UBE1 +UR3 < 1,4V thì 2 diode
D2 khơng thơng, khi dịng tải tăng cho đến khi UR3 ≥ 0,7V dẫn đến

UBE1 + UR3 ≥ 1,4V thì D1, D2 thơng, dịng chảy qua D1, D2 làm tăng điện áp rơi trên R1, do đó UB1
giảm, Q1 giảm độ dẫn sẽ kéo dòng tải trở lại giá trị bình thường.
Câu 37: Trình bày về nguyên lý hoạt động của bộ biến tần cầu 1 pha.
●

Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng
phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công
suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị khơng phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96. Điện áp
một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này
hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương
pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực
hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ
và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.

●

Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo
bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều
khiển. Đối với tải có mơ men không đổi, tỉ số điện áp – tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và
quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mơ men
là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm
bậc hai của điện áp.

●

Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất
được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu
bởi hệ thống.

●

Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại
phụ tải khác nhau. Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền
thơng khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA.

II.Tóm tắt cơng thức

Cơng thức chương 1
● Trị trung bình của đại lượng i, viết tắt là I0 được xác định theo hệ thức:


● Trong nhiều trường hợp, thực hiện tích phân theo hàm biến thời gian phức tạp hơn thực hiện tích

phân theo biến góc X, với X cho bởi hệ thức:
X=ω.t với ωlà tần số góc.
Khi ấy, trị trung bình đại lượng theo góc X tính theo hệ thức:

Với X0 = ω.t0; Xp = ω.Tp; X = ω.t; dX = d(ω.t)
● Trị hiệu dụng của đại lượng i, viết tắt là IR được xác định theo hệ thức:

● Công suất tác dụng P: biểu thị năng lượng sử dụng trong một đơn vị thời gian.

● Cơng suất biểu kiến S: tính bằng tích số giá trị hiệu dụng dịng và áp, biểu thị

năng lượng sử dụng trong một đơn vị thời gian nếu xem tải là thuần trở.

● Hệ số công suất λhay PF (Power Factor) đối với một tải được định nghĩa bằng tỉ số giữa công suất tiêu thụ P
và công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải đó.

Trong trường hợp tín hiệu xoay chiều hình sin, ta có:
điện và điện áp trong mạch.

với ϕ là góc lệch giữa dịng

● Cơng suất của tín hiệu một chiều (P0 hay PDC)

; U0 và I0 là điện áp trung bình và dịng điện trung bình.
● Cơng suất của tín hiệu xoay chiều (hình sin):

; U1, I1 là biên độ điện áp và dịng điện; ϕ1là góc lệch pha giữa dịng điện và điện
áp.
● Cơng suất tồn phần ở đầu ra, gồm thành phần một chiều và sóng hài bậc cao.


● công suất tiêu thụ của tải:

P = P1 = m.U.I(1).cosϕ1 với ϕ1 là góc lệch pha giữa điện áp và dịng điện sóng hài cơ bản.
Ta có:

Với
: Cơng suất tiêu thụ của tải.
: công suất phản kháng (công suất ảo do sóng hài cơ bản của dịng điện tạo
nên).

: cơng suất biến dạng (cơng suất ảo do các sóng hài bậc cao của dịng điện
tạo nên).

● Từ đó ta suy ra hệ số cơng suất:
● Sóng hài bậc cao

Với

hoặc

,

,

,

,

trong đó:
U0 : trị số trung bình ( thành phần một chiều ) của u(t)
ω : tần số góc của u(t), chu kỳ
un: sóng hài bậc n - có tần số nω.

,


An , Bn : các thành phần sin, cos của sóng hài bậc n
Un ,

: biên độ và lệch pha của sóng hài bậc n

UR : Trị hiệu dụng của u(t).
● Hệ số hình dạng ( form factor ): tỉ số giữa giá trị hữu dụng và giá trị hiệu dụng.

+ Đối với bộ biến đổi có đầu ra một chiều:

Với

: điện áp trung bình đầu ra;

: điện áp hiệu dụng đầu ra.

+ Đối với bộ biến đổi có đầu ra xoay chiều:

;
Với

: điện áp hiệu dụng sóng hài bậc 1 (cơ bản) đầu ra;

: điện áp hiệu dụng đầu ra.

● Độ biến dạng (THD – Total harmonic distortion)

+ Đầu ra điện áp một chiều:

+ Đầu ra điện áp xoay chiều:

● Công suất tổn hao trên collector, PC= UCE.ICE

Công thức chương 2
● Điều khiển kích đóng
Gai dịng điện kích có thể đạt được bằng mạch hình 2.2. Khi xung điện áp U B đưa vào, dòng điện qua cổng B
bị giới hạn bởi điện trở R1.


Hình 2.2:

Sau thời gian q độ, dịng IB có giá trị:

Tụ C1 được nạp đến độ lớn

Hằng số thời gian nạp tụ:

Nếu như ta cho điện áp U B về 0, lớp BE bị phân cực ngược và tụ C 1 phóng qua R2. Hằng số thời gian xả tụ là t 2
= R2.C1. Để đủ thời gian nạp và xả tụ, độ rộng xung phải thỏa mãn:
và
Do đó, tần số đóng ngắt lớn nhất

● Mạch kích MOSFET

Để giảm thời gian kích đóng ton của MOSFET ta có thể sử dụng dạng mạch (hình 2.8


Khi tác dụng điện áp uG, dịng điện tích điện ban đầu cho tụ mạch cổng G:

Sau đó điện áp xác lập trên cổng là

RS là điện trở trong của mạch kích.
● THYRISTOR

Tác dụng điện áp khóa uV (hoặc uD): điện dung của nó phụ thuộc vào độ lớn điện áp đặt vào:

Theo phương trình trên, dịng iC đạt giá trị lớn khi

đủ lớn (giả sử rằng C không đổi). Vì thế

người ta giới hạn độ dốc của uV đến giá trị:

độ tăng của dòng iV bị giới hạn đến giá trị
● TRIAC
Việc đóng :

Việc ngắt (xem thyristor):, tốc độ tăng của điện thế khóa khi chuyển mạch bị giới hạn bởi giá trị:


Công thức chương 3
1.Chỉnh lưu một pha không điều khiển
Chỉnh lưu 1 pha nửa sóng
Tải thuần trở
Trị số điện áp một chiều trên tải :

Khi T/2 ≤ t ≤ T

do f = 1/T và ω = 2πf, nên

U là trị số hiệu dụng của us
- Trị số hiệu dụng của điện áp trên tải.

- Trị số hiệu dụng của dòng tải:

- Trị số hiệu dụng của các thành phần xoay chiều trên tải.

Hệ số dạng sóng

Hệ số gợn sóng


Hiệu suất chỉnh lưu:

Tải dung tính

Điện áp một chiều trên tụ C (trên tải) :

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode D trong trường hợp hở tải (Rt = ) là:

Chỉnh lưu 1 pha tồn sóng
Chỉnh lưu 1 pha tồn sóng với thứ cấp biến áp có điểm giữa

Tải thuần trở

Dòng một chiều qua tải:

Điện áp hiệu dụng trên tải:

Tải dung tính
- Điện áp một chiều trên tải:

- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode:

Tải tính cảm


Điện áp một chiều trên tải:

Dòng một chiều trên tải:
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode:
Chỉnh lưu cầu 1 pha
- Với tải trở và cảm:
Điện áp một chiều trên tải:
- Với tải dung:
Điện áp một chiều trên tải:

Điện áp một chiều trên tải:
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode:
Chỉnh lưu ba pha không điều khiển
Bộ chỉnh lưu 3 pha nửa sóng
Với tải trở và tải cảm

Điện áp một chiều trên tải:

Với m = 3:
- Điện áp hiệu dụng đặt trên tải là:

Với m = 3, ta có:

Với tải dung tính

(Rt = ∞ → θ = 0)


- Điện áp một chiều trên tải:
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode là:

Bộ chỉnh lưu 3 pha cầu (3 pha tồn sóng)
Với tải thuần trở
Điện áp một chiều trên tải:

Trị số của điện áp hiệu dụng trên tải:

- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode là:

Với tải dung

Điện áp một chiều trên tải:

Với tải cảm
Các giá trị điện áp giống như tải điện trở.
Dịng trung bình qua mỗi diode với các loại tải:

Chỉnh lưu một pha có điều khiển
Bộ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng có điều khiển với tải thuần trở
Điện áp một chiều U0 trên tải:


Nếu điều chỉnh cho α biến đổi từ 0 ÷ π, ta có: U0 biến đổi từ

đến

.
- Giá trị điện áp hiệu dụng trên tải:

Chỉnh lưu một pha tồn sóng có điều khiển
Bỏ qua tổn hao trên biến áp, diode và cuộn chặn Lch ta có điện áp một chiều ra trên tải:

Khi ta điều chỉnh cho
đổi từ

biến đổi từ 0 ÷

đến

ta sẽ được điện áp một chiều trên tải biến

.

- Điện áp hiệu dụng trên tải:

Chỉnh lưu ba pha có điều khiển
Chỉnh lưu 3 pha nửa sóng có điều khiển
Điện áp một chiều trên tải được tính theo cơng thức:

với

biến đổi từ 0 ÷ 900.

Điện áp hiệu dụng trên tải tính theo cơng thức:


Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển
+ Khi góc ≥ π /3

- Điện áp một chiều ra trên tải lớn nhất khi = 0, ta có:

- Điện áp hiệu dụng trên tải tính theo cơng thức:

+ Khi α ≤ π /3 thì điện áp ra sau nắn (u0) là liên tục.
- Điện áp một chiều trên tải U0:

- Điện áp hiệu dụng trên tải:

Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần
Điện áp một chiều trên tải:

Khi  biến đổi từ 0 ÷ 900 ta có U0 biến đổi từ

đến 0.

- Điện áp hiệu dụng trên tải:

Chỉnh lưu bội áp
Chỉnh lưu bội áp nửa sóng
Nửa chu kỳ âm của U2, a (-); b (+), D2 thông, C2 được nạp, điện áp được nạp cho C2 là:

Điện áp một chiều lớn nhất trên tải:
Kể đến tổn hao của biến áp và 2 diode thì:

Sơ đồ chỉnh lưu bội áp một pha tồn sóng
- Điện áp một chiều U0 trên tải:

Khi bỏ qua tổn hao trên các linh kiện trong mạch, ta có:

GHÉP NỐI TIẾP VÀ SONG SONG CÁC BỘ CHỈNH LƯU
Bộ chỉnh lưu cầu 2 pha nối tiếp
Điện áp một chiều trên tải với tải trở và tải cảm:


- Với tải điện dung:
- Dịng trung bình qua diode:
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode:

U2 là điện áp hiệu dụng cuộn thứ cấp.
Bộ chỉnh lưu cầu 2 pha song song

1 chu kỳ có 4 xung dịng chính lưu qua tải m = 4 và fg = 4f.
- Điện áp một chiều trên tải với tải trở và tải cảm:

- Điện áp một chiều trên tải khi có tụ lọc C:

- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode:

- Dịng trung bình qua diode:

BỘ LỌC
Bộ lọc san bằng
Hệ số lọc (hay hệ số san bằng) của bộ lọc là:

Các loại bộ lọc san bằng
Bộ lọc LC
Tính trị số C:


Ta có:
Với f = 50Hz và C = [μF]

Thì
- Điện áp xoay chiều đầu ra của bộ lọc LC

Hệ số lọc q của bộ lọc LC

q = m2ω2LchC –1
Vì m2ω2LchC >> 1 nên bỏ qua 1, ta có:
q = m2ω2LchC q
* Tính Lch:

- Hiệu suất của bộ lọc LC

Bộ lọc nhiều mắt

Trong đó: q1, q2... là hệ số lọc của từng mắt lọc riêng rẽ, khi q1 = q2 = ... qn = q, ta có: qΣ = qn

Thơng số
Loại sơ đồ
Tia 1 pha

Ud

TD

Ungmax

U

h

Kđm

0.45U2

Id

U2

0

0

1.57


Tia 2 pha

0.90U2

U2

1

0.67

Cầu 1 pha

0.90U2

U2

2

0.67

Tia ba pha

1.17U2

U2

0.25

Cầu 3 pha

2.34U2

U2

0.057

Tia 6 pha

1.35U2

U2

Tia 6 pha có
cuộn kháng cân
bằng

1.17U2

U2

2

Cơng thức chương 4

Bộ biến đổi điện áp một chiều (BBĐAMC)

BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LOẠI FORWARD

0.057
0.057


Bộ biến đổi làm việc một phần tư mặt phẳng tải

Hình 4.5:
Xét chu kỳ tựa xác lập - khi các dạng sóng sẽ lập lại ở mỗi chu kỳ, trên Hình 4.5(a) trình bày
tín hiệu điều khiển ngắt điện S1. Tín hiệu cao (hay 1) tương ứng ngắt điện đóng, thấp (hay 0) là ngắt.
Tại t = 0, S1 đóng. Phương trình vi phân mơ tả hệ thống:

, với điều kiện ban đầu

Giải ra :

với

(4.1)

(4.2)

τ: hằng số thời gian điện từ, Ixl1: dòng qua mạch khi xác lập ( t→∞).
(4.3)
Khi t > ton, S1 ngắt dịng tải khơng thay đổi tức thời, khép mạch qua diode phóng điện D2.
Phương trình vi phân mô tả hệ thống khi chọn lại gốc thời gian:

, với điều kiện ban đầu

Giải ra:

với

(4.4)

(4.5)


Và

(4.6)

(4.3) và (4.6) cho phép tính ra Imax, Imin và dạng của io theo t như hình 4.5(b)

Và nhấp nhơ dịng ra:

(4.7)

Trị trung bình áp ra:

Và dịng ra:

với

(4.8)

khi sử dụng nguyên lý xếp chồng cho thành phần một chiều của áp

ra vo.
Tính gần đúng: Khi T << τ, có thể tính gần đúng khi cho io thay đổi theo đường thẳng và lấy
trung bình áp trên các phần tử ngồi tự cảm L trong (4.1) để tính đạo hàm dịng:

Từ đó tính được:
vì io thay đổi theo đường thẳng, nên:

trị trung bình dịng:

(4.9)

và nhấp nhơ dịng:

giá trị này cực đại khi

trị trung bình áp ra Vo sẽ tăng bằng

(4.10)

, lúc đó

(4.11)

(4.12)

với tx là khoảng thời gian có dịng.
Có thể tính được tx khi áp dụng các công thức từ (4.7) đến (4.10) cho chu kỳ giả định bằng tx (Hình 4.6)
và điều kiện Imin = 0.

Hinh 4.6:

Và
Công thức này cũng cho ta điều kiện để bộ biến đổi có dịng gián đoạn: đó là chu kì T ≥tx với tx tính
theo (4.13).

Bộ biến đổi tăng áp

Hình 4.8:
Ở BBĐ tăng áp, ta định nghiã ton là thời gian dẫn điện của S2, cơng thức tính trị trung bình Vo sẽ thay
đổi, tương ứng với việc thay thế αbằng (1-α) trong (4.8)
Ta có Vo = V.(1 – α)
dòng qua tải Io = (V0 - E)/R < 0 tương ứng V0 < E

(4.8*)