ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ỨNG DỤNG Chuong 6 bo nguon mot chieu

CHƯƠNG 6

BỘ NGUỒN BÁN DẪN MỘT CHIỀU

Bộ nguồn bán dẫn (ở đây gọi tắt là bộ nguồn) là cách gọi khác của bộ biến đổi
(BBĐ) hay thiết bị điện tử công suất vì như ta đã biết, năng lượng cung cấp cho tải công
nghiệp được lấy từ BBĐ và bộ nguồn một chiều là nội dung của chương bắt đầu của phần
khảo sát ứng dụng của điện tử công suất.
Trong các chương từ I đến V, các ứng dụng cũng đã được giới thiệu một cách ngắn
gọn với mục đích giúp người học có cái nhìn trọn vẹn về bộ biến đổi được khảo sát. Bốn
chương của phần ứng dụng, từ VI đến IX sẽ dành cho các nhóm ứng dụng chính của điện tử
công suất, gồm các bộ nguồn một chiều, bộ điều khiển động cơ một chiều, bộ điều khiển
động cơ xoay chiều và bộ nguồn tần số cao.
VI.1 BỘ NGUỒN BÁN DẪN MỘT CHIỀU VÀ PHÂN LOẠI:
1. Bộ nguồn bán dẫn và bộ nguồn một chiều:
Sơ đồ khối đầy đủ của bộ
Lọc
Lọc
Bộ
nguồn bán dẫn được trình bày trên Lưới
Tải
đầu ra
đầu vào
Biế n đổ i
(*)
(*)
hình VI.1.1. Các phần tử công suất
(dòng điện lớn) bao gồm bộ lọc đầu
vào, bộ biến đổi hay mạch điện tử
Mạ ch
công suất và bộ lọc ngỏ ra. Bộ lọc đầu

Phá t xung
Bả o vệ
vào luôn cần thiết trong các hệ thống
chất lượng cao nhằm hạn chế nhiễu
khi ngắt điện chuyển mạch tạo ra hay
Điều khiể n
Phả n hồ i
vò ng kín
từ ngoài có thể tác động vào bộ biến
(*)
đổi. Bộ lọc ngỏ ra dùng để cải thiện
chất lượng điện năng cung cấp cho tải.
Đặ t
Hai bộ lọc này có thể bị bỏ qua khi ta
cân nhắc giữa giá thành của bộ nguồn Hình VI.1.1 Sơ đồ khối đầy đủ mộ bộ nguồn bán dẫn,
và chất lượng hoạt động.
khối có dấu (*) là có thể không cần
Các khối tín hiệu bao gồn mạch phát xung, điều khiển vòng kín và bảo vệ.
Với nội dung là thiết kế và điều khiển bộ biến đổi dùng cho các tải cụ thể, chương VI
bắt đầu từ khảo sát đặc tính tải. Sau đó, các yêu cầu cho phần thiết kế và điều khiển bộ biến
đổi được phát biểu cùng với các giải pháp cũng như tính toán. Không chỉ phân tích nguyên
lý, một số sơ đồ mạch điện, hệ thống điều khiển vòng kín hay thiết bị công nghiệp cụ thể
cũng được giới thiệu nhằm cung cấp một cái nhìn thực tế hơn về các bộ biến đổi đã được sử
dụng trong công nghiệp. Ngoài ra, một số kiến thức cơ sở liên quan cũng được giới thiệu để
sinh viên có thể theo dõi nội dung dễ dàng hơn.
Bộ nguồn một chiều bán dẫn dùng để chỉ các bộ biến đổi cung cấp điện một chiều
cho các loại tải khác nhau. Như vậy nó gồm cảù bộ điều khiển động cơ điện một chiều. Khác
với các bộ nguồn xoay chiều, đa số các bộ nguồn một chiều đều có cùng sơ đồ khối và
nguyên lý điều khiển dù chúng có khác biệt về nguồn, tải, mạch động lực hay điều khiển.
Do đó, một số nội dung của chương sẽõ được khái quát thành những lý luận chung và ta có

thể thấy sự ứng dụng chúng trong những chương kế tiếp.
2. Phân loại bộ nguồn một chiều:
Trang 1/ chuong 2

Điện tử công suất II A


Bộ nguồn một chiều có thể phân loại theo nhiều cách, ở đây ta chỉ xét hai nhóm:
phân loại theo bộ biến đổi (BBĐ) được sử dụng và theo tính chất tải. Cách đầu tiên quyết
định cấu trúc bộ biến đổi trong khi cách thứ hai cho biết một số đặc tính cần thiết phải có
(hay không cần) của sơ đồ.
- Theo bộ biến đổi: Có hai loại bộ nguồn một chiều tương ứng với hai BBĐ được sử
dụng: BBĐ điều khiển pha và BBĐ áp một chiều.
Bộ nguồn một chiều dùng BBĐ điều khiển pha:
1.

(Biến áp) --> Chỉnh lưu (điều khiển pha)

2.

BBĐ áp AC --> Biến áp tần số lưới--> Chỉnh lưu D

Còn gọi là bộ nguồn chỉnh lưu, trong đó ( ) là khối có thể không cần. Bộ chỉnh lưu
điều khiển pha có thể dùng Diod, SCR hay hỗn hợp. Trong sơ đồ khối 2, áp lưới sau khi điều
khiển pha, qua biến áp được chỉnh lưu diod sẽ có dạng áp ngỏ ra của bộ chỉnh lưu điều
khiển không hoàn toàn. Như vậy hai sơ đồ khối này tương đương và trong một số trường
hợp, sơ đồ khối thứ 2 tỏ ra hiệu quả hơn sơ đồ khối 1.
Bộ nguồn một chiều dùng BBĐ áp một chiều:
3.

[Biến áp --> Chỉnh lưu D --> lọc] --> BBĐ

4.

[Chỉnh lưu D -> lọc] -> BBĐ -> Biến áp tần số cao -> Chỉnh lưu D
Khi dùng nguồn một chiều, các khối [ ] không có.

Nhóm này còn được gọi là bộ nguồn xung hay cấp điện đóng ngắt (switching power
supply), là sự phát triễn của các bộ cấp điện một chiều loại tuyến tính, dùng để cung cấp
điện một chiều có ổn áp trong phòng thí nghiệm hay công nghiệp. Ở sơ đồ khối 3, bộ biến
đổi thực hiện chức năng ổn áp, thay cho mạch ổn áp tuyến tính có hiệu suất rất thấp. Trong
sơ đồ khối 4, BBĐ là loại flyback hay nghịch lưu một pha sử dụng biến áp tần số cao, nhờ đó
giảm giá thành, tăng hiệu suất.
Trong các bộ nguồn trên, mạch lọc ngỏ ra là một lựa chọn, có thể là LC để có được
áp ra phẳng hay không cần nếu tải là động cơ một chiều…
So sánh hai loại:
Nhóm

Ưu

Nhược

Điều khiển pha

công suất lớn (MW) nhờ tần số đóng ngắt bé (tần số lưới)
dùng SCR
=> mạch lọc ngỏ ra có trị số lớn

BBĐ áp một chiều

Tần số làm việc cao nên ảnh công suất đến 100kw nếu dùng
hưởng hài bậc cao nhỏ
transistor, dùng thyristor yêu cầu
mạch tắt

- Phân loại theo dạng tải: Bộ nguồn một chiều có thể có những dạng tải sau: động cơ
một chiều, tải điện hóa, điện công nghệ, các mạch điện tử,… Tuy nhiên chúng có thể chia
làm hai nhóm:
•

tải áp: Tải cần áp ra phẳng, tiêu biểu là thiết bị điện tử. Với dạng tải này phải
dùng mạch lọc LC ở ngỏ ra BBĐ. Có thể nhận xét là các bộ nguồn điều khiển pha
không thích hợp bằng các bộ cấp điện đóng ngắt vì có giá trị LC mạch lọc tăng

Trang 2/ chuong 2

Điện tử công suất II A


cao do tần số làm việc thấp.
•

tải dòng: gồm các tải còn lại - không cần áp ra phẳng. Trong trường hợp cần dòng
phẳng để giảm tổn hao, tăng chất lượng hoạt động của tải, có thể dùng cuộn
kháng nối tiếp. Trong một số rất ít trường hợp, để dòng ra thật phẳng mới dùng
lọc LC. Ví dụ: các bộ nguồn dùng cho điện phân trong công nghiệp thường không
cần mạch lọc vì điện trở của tải thường không bé nhưng trong các bộ nạp accu,
ngỏ ra thường có cuộn dây hay điện trở để gánh chênh lệch giữa xung áp ngỏ ra
và sức điện động của tải, hạn chế biên độ dòng nạp.

Một đặc tính khác cần lưu ý là yêu cầu cách ly nguồn – tải khi dùng điện lưới. Nhằm
đảm bảo an toàn cho ngøi vận hành máy, và hạn chế dòng rò qua tải xuống đất, người ta
phải dùng biến áp dể cách ly lưới – tải cho các bộ nguồn.
VI.2 BỘ NGUỒN CHỈNH LƯU:
Là bộ nguồn bán dẫn một chiều cho phép cung cấp công suất lớn và rất lớn nhờ sử
dụng Diod hay SCR, có sơ đồ khối 1 và 2 đã được giới thiệu. Vì các sơ đồ chỉnh lưu đã được
khảo sát rất chi tiết trong chương III nên mục này sẽ giới thiệu các bước để thiết kế một bộ
nguồn công suất lớn và trình bày chi tiết với bộ nguồn chỉnh lưu.
1. Các bước thiết kế bộ nguồn bán dẫn:
- Thiết kế sơ bộ mạch động lực: Từ các yêu cầu của tải, ta chọn sơ đồ, dùng các quan
hệ gần đúng và các giả sử cần thiết (do không đủ số liệu) để tính chọn các thông số mạch
động lực. Sơ đồ có thể phải được chọn lại nếu có thông số tính ra không chấp nhận được.
- Kiểm tra hệ thống đã chọn bằng cách tính toán chính xác hay sử dụng công cụ mô
phỏng để có hoạt động của mạch với các phần tử mạch động lực đã chọn. Nếu kết quả
không phù hợp, có thể chọn lại thông số mạch hay đổi phương án (trở lại bước thiết kế sơ
bộ). Cũng có thể thực hiện nhiều thiết kế sơ bộ và sẽ chọn ra thiết kế tối ưu sau bước kiểm
tra này.
- Tính toán hệ thống điều khiển và bảo vệ, lập bản vẽ lắp đặt và xây dựng quy trình
thi công, thử nghiệm, hiệu chỉnh.
Sau khi thi công, thử nghiệm và hiệu chỉnh xong, ta có được sản phẩm (nếu chế tạo
đơn chiếc) hay sản phẩm mẫu (bản chế thử) trong trường hợp sản xuất hàng loạt cùng với
bản thiết kế và quy trình sản xuất. Không loại trừ khả năng làm lại các bước trên nếu kết
quả không thỏa đáng.
2. Thiết kế sơ bộ chỉnh lưu điều khiển pha (ĐKP):
Gồm các bước sau:
a. Chọn sơ đồ chỉnh lưu: Cần cân nhắc các yếu tố:
•

Có sử dụng biến áp (BA) hay không:

BA có hai nhiệm vụ: thay đổi tầm áp ra và cách ly điện nguồn – tải. Áp ngỏ vào bộ
chỉnh lưu phải có giá trị thích hợp nhằm tránh BBĐ làm việc dài hạn ở góc kích lớn có chất
lượng áp ra kém và có hệ số công suất thấp. Cách ly điện nguồn – tải đãm bảo an toàn cho
người vận hành và tránh nhiễu gây ra do dòng rò của lưới đi qua BBĐ có thể làm cho BBĐ
hoạt động không tốt. Thông thường, chỉ có các bộ điều khiển động cơ một chiều có thể chỉnh
lưu trực tiếp từ lưới.
Trang 3/ chuong 2

Điện tử công suất II A


•

Một pha hay nhiều pha:

Sơ đồ nhiều pha phức tạp nhưng chất lượng ngỏ ra cao (nhấp nhô áp ra có tần số cao và
biên độ bé), cho phép công suất tải lớn hơn và tải đều trên ba pha lưới.
•

Sơ đồ tia hay cầu:

Sơ đồ tia cần sử dụng trung tính và có dòng một chiều qua nguồn, chỉ thích hợp công suất
trung bình và nhỏ. Về nguyên tắc, trung tính chỉ dùng cho chiếu sáng và mạch đo lường.
•

Cầu điều khiển hoàn toàn (SCR) hay không hoàn toàn (SCR + D):

Sơ đồ có sử dụng diod có áp ra luôn lớn hơn zero nên không trả năng lượng về lưới được,
hoạt động không đối xứng (có hài bậc chẵn) làm hạn chế công suất nhưng có ưu điểm là đơn
giản, giá hạ, khi góc điều khiển pha không quá lớn thì có hệ số công suất cao.

•

Sử dụng các sơ đồ đặc biệt:

- nối tiếp, song song các bộ chỉnh lưu: thường sử dụng khi công suất lớn và rất lớn,
cho phép cải thiện dạng sóng dòng ngỏ vào và áp ngỏ ra BBĐ.
- Sơ đồ 6 pha có kháng cân bằng (hình III.4.11b) chính là song song hai sơ đồ 3 pha
hình tia. Là sơ đồ chỉnh lưu có dòng qua các chỉnh lưu bé nhất, thích hợp với ứng dụng có
dòng tải rất lớn.
- Sử dụng BBĐ áp AC ở phiá sơ cấp biến áp và dùng chỉnh lưu diod ở thứ cấp:
Đây là sơ đồ có hiệu quả kinh tế rất cao trong hai trường hợp sau:
• Áp ra bé (chục V) và dòng tải lớn (hàng nghìn A): Chi phí đầu tư giảm do thay
thế chỉnh lưu SCR bằng D có giá hạ bên thứ cấp rất đáng kể so với chi phí trang
bị BBĐ áp xoay chiều ở sơ cấp. Chi phí vận hành cũng cải thiện đáng kể vì sụt áp
thuận SCR cao gấp đôi sụt áp thuận của D.
• Áp ra lớn (chục nghìn V), dòng ra bé (chục A): Khi áp ra rất cao, cần nối tiếp
nhiều chỉnh lưu. Sử dụng diod sẽ hiệu quả rất nhiều vì đã tránh được việc nối tiếp
nhiều SCR rất phức tạp và tốn kém.
b. Tính toán điện áp và góc kích SCR:
Sau khi chọn được sơ đồ, ta cần phải tính toán thông số của biến áp. Áp ngỏ ra BBĐ
phụ thuộc vào các yếu tố: áp nguồn, tỉ số biến áp, góc điều khiển pha, chế độ dòng tải và
các sụt áp trong mạch. Sụt áp trong mạch bao gồm:
- Sụt áp trên chỉnh lưu: 1 V/ Diod và 2 V / SCR
- Sụt áp do chuyển mạch khi dòng liên tục.
- Sụt áp nguồn hay biến áp (do khi tính toán ta lấy giá trị áp thứ cấp ở không tải) và
trên dây dẫn.
Như vậy có quá nhiều thông số để có thể từ áp ngỏ ra cần thiết tính được tỉ số biến
áp một cách chính xác. Khi tính toán sơ bộ, có thể ước lượng sụt áp tổng cộng từ 15% - 20%,
sử dụng công thức của chế độ dòng liên tục <>và góc kích tối thiểu là 10 – 15o.
Nếu sơ đồ không dùng biến áp, việc kiểm tra phạm vi điều chỉnh góc ĐKP là cần

thiết, tránh góc điều khiển pha tối thiểu αmin quá lớn ( > 40 - 50O) làm giảm các chỉ tiêu
năng lượng của hệ thống. Khi đó có thể phải dùng biến áp giảm áp. Góc αmin được tính ở
Trang 4/ chuong 2

Điện tử công suất II A


áp ra là cao nhất (tính cả các sụt áp).
Góc kích tối đa: Thường chọn khoảng 150 O với 2 lý do sau: Nếu không làm việc ở chế
độ nghịch lưu, áp ra ở α > 150 O thường rất bé, Nếu có làm việc ở chế độ nghịch lưu, góc
nghịch lưu an toàn cũng có thể lấy bằng 30 O , nếu không có yêu cầu áp nghịch lưu cao.
Ví dụ 1: Chọn sơ đồ và tính thông sớ cơ bản của bộ chỉnh lưu 220VDC/100A dòng cho
điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập, lưới công nghiệp 380VAC ba pha.
Giải: Vì công suất tải là 220 x 100 = 22kW không nhỏ và để có chất lượng áp ra cao,
ta chọn chỉnh lưu cầu 3 pha.Để cung cấp được 220V cho tải, áp ra bộ chỉnh lưu bằng
Uo
= 1.2 x 220 = 264 V (khi ước lượng sụt áp tổng cộng khoảng 20%). Giả sử không dùng biến áp
và dòng tải liên tục, góc kích tối thiễu là:

Uo =

3 6
U ⋅ cos α <III.3.6> => αmin = cos-1[264/(2.34 x 220)] = 59o.
2π

Trị số này khá lớn, có thể làm giảm chất lượng hoạt động của hệ thống, ta tính toán lại
với việc dùng biến áp. Giả sử góc kích tối thiểu αmin = 15o, áp thứ cấp của biến áp bằng U =
264 /(2.34 x cos 15o) = 116.8V suy ra tỉ số biến áp (nối YY) k = 116.8/220 = 0.53.
Ghi chú:
- Với công suất 22kW là ở mức độ trung bình, có thể sử dụng sơ đồ cầu 3 pha điều

khiển không hoàn toàn (SCR+D). Nhưng vì nó có thể làm hoạt động của biến áp không tốt do
có các hài bậc chẵn nên sơ đồ điều khiển hoàn toàn đã được chọn (ta đang chọn hướng thiết
kế hệ thống chất lượng cao).
- Nếu lưới có công suất lớn (để dòng 100A trên trung tính là có thể chấp nhận được) và
để giảm giá thành, có thể chọn sơ đồ chỉnh lưu 3 pha hình tia. Khi đó áp ra có thể không đủ
giá trị 220V cho động cơ khi tải định mức.
c. Tính chọn chỉnh lưu và biến áp:
dây.

- Định mức áp chỉnh lưu: Áp khoá cực đại trên chỉnh lưu luôn bằng giá trị max của áp

Ví dụ: Có thể chứng minh điện áp làm việc cực đại Ulvmax của chỉnh lưu cầu một pha
bằng 2 hiệu dụng áp lưới, chỉnh lưu cầu ba pha bằng
biến áp có điểm giữa bằng 2 2 áp pha.

2 3 = 6 áp pha, chỉnh lưu dùng

Lưu ý hệ số an toàn điện áp của linh kiện bán dẫn được chọn > 2.

- Định mức dòng chỉnh lưu và dòng qua BA (nếu có):
Từ giá trị dòng tải cho trước Io, ta có thể tính giá trị dòng điện qua các phần tử mạch
điện khi giả định được dạng dòng tải của bộ chỉnh lưu, lưu ý Io là giá trị trung bình. Có thể
chọn một trong 3 dạng sau phụ thuộc chế độ làm việc của tải, xếp theo thứ tự nhấp nhô tăng
dần:
* Dòng tải phẳng – liên tục: tải có L
Io
lớn hay làm việc ở góc điều khiển pha bé
2

0

Trang 5/ chuong 2

Điện tử công suất II A


* Dòng xung hình sin: tải có L lớn
nhưng làm việc ở góc điều khiển pha lớn,
ví dụ động cơ một chiều làm việc ở áp
khá bé so với định mức

Imax

Io

2

0

* Xung tam giác: tải có L bé (hay bằng
0) và làm việc ở góc điều khiển pha lớn

Io

I max
2

0

Việc chọn dạng dòng nhằm mục đích nâng cao độ chính xác cho thiết kế sơ bộ.

Như đã giới thiệu ở chương II, các linh kiện công suất có thể chọn sơ bộ bằng giá trị
trung bình hay hiệu dụng trong khi dây dẫn hay biến áp cần chọn theo giá trị hiệu dụng vì
chúng phát nóng do điện trở. Có thể chứng minh định mức dòng theo giá trị trung bình không
phụ thuộc dạng sóng trong khi định mức dòng theo hiệu dụng tăng theo độ méo dạng. Cách
thứ hai chính xác hơn đối với chỉnh lưu.
Để tính toán, ta vẽ dạng dòng qua các phần tử của mạch và tính được dòng qua chúng
hay sử dụng công thức cho ở các bảng tổng kết.
Ví dụ tính toán dòng qua các phần tử có thể xem lại chương chỉnh lưu (mục III.4.3):

1. Thiết kế bộ chỉnh lưu cho điều khiển động cơ DC kích từ độc lập 400 V/ 200A từ lưới
điện 3 pha 380V (áp dây): chọn sơ đồ, tính toán các thông số hoạt động của bộ chỉnh lưu điều
khiển pha, tính dòng trung bình, áp ngược cực đại SCR, dòng hiệu dụng qua các phần tử mạch
khác.
Chọn chỉnh lưu cầu 3 pha (không dùng BA): Vdo = 1.35*380 = 514V
Áp ra cần thiết Uo = 1.2 * 400 = 480 = Vdo.cos α =>
không dùng BA là hợp lý.

α . Giá trị này đủ nhỏ để việc

Dòng trung bình qua SCR 200/3 A áp ngược max trên SCR 380* 2 V, dòng hiệu dụng
lưới điện: 200 2 / 3 A
2. Thiết kế bộ chỉnh lưu cho điều khiển động cơ DC kích từ độc lập 180 V/ 20A từ lưới
điện công nghiệp 220V/380V:
Chọn chỉnh lưu cầu 1 pha 4 SCR (không dùng BA) sử dụng áp pha vì công suất động cơ
còn bé, sơ đồ 1 pha đơn giản:
Udo = 0.9*220 = 198V
Áp ra cần thiết Vo = 1.2 * 180 = 216 > 198 V cho thấy cần sử dụng biến áp tăng áp
hay sử dụng đầu vào là chỉnh lưu áp dây (380V) để động cơ có thể hoạt động ở chế độ định
mức.
Trong thực tế ta vẫn có thể sử dụng áp pha và biết rằng động cơ sẽ không thể có tải

định mức ở tốc độ định mức được: α MIN = 0 Vo = 198 V => áp động cơ khi đó còn
198/1.2 = 165 V, tương ứng với khoảng 165/180 = 91% tốc độ định mức. Các tính toán này
thực hiện với ước lượng tổng các sụt áp bằng 20% áp đặt vào động cơ.
Dòng trung bình qua SCR 20/2 áp ngược max trên SCR 220* 2 V, dòng hiệu dụng
lưới điện: 20 A.
Trang 6/ chuong 2

Điện tử công suất II A


Có thể chọn sơ đồ điều khiển không hoàn toàn (SCR + Diode), khi đó định mức các
linh kiện được chọn theo điều kiện làm việc xấu nhất, với góc dẫn lớn nhất bằng π tương ứng
với dòng tải định mức bằng 20 A => dòng trung bình qua SCR và diode bằng 20/2 và dòng
qua diode phóng điện là 20 A (tương ứng góc dẫn 2π)
d. Tính chọn mạch lọc ngỏ ra:
Như đã giới thiệu trong phần sơ đồ khối, mạch lọc ngỏ ra có thể không cần trong các
bộ nguồn. Ta cũng biết rằng áp ra của bộ biến đổi luôn chứa sóng hài bậc cao và cũng đã
đánh giá ảnh hưởng của nó trên tải nhưng bộ lọc ngỏ ra chỉ được sử dụng khi thật sự cần
thiết, khi có yêu cầu hạn chế nhấp nhô dòng, áp ngỏ ra vì nó làm tăng giá thành, kích thước
của bộ nguồn. Việc tính chọn thông số bộ lọc ngỏ ra của bộ nguồn một chiều đã được giới
thiệu trong phần khảo sát BBĐ tương ứng, ở đây chỉ liệt kê một số bộ nguồn một chiều có
mạch lọc:
- Bộ cấp điện cho các mạch điện tử cần áp ra phẳng, ổn định luôn có lọc LC ngỏ ra.
Lưu ý tự cảm tản của biến áp cũng cần tính vào L của mạch lọc.
- Các bộ nạp accu công suất lớn thường có cuộn kháng nối tiếp tải để hạn chế nhấp
nhô dòng nạp do điện trở trong của accu thường rất bé. Các bộ điều khiển động cơ một chiều
có thể cần cuộn kháng san bằng để làm cho dòng tải liên tục, momen ít nhấp nhô.
- Một số trường hợp bộ nguồn xi mạ kim loại có lọc LC để làm phẳng dòng điện theo
yêu cầu của công nghệ.
3. Điều khiển bộ nguồn chỉnh lưu:

Như đã giới thiệu ở hình VI.1.1, hệ thống điều khiển bộ nguồn nói chung và chỉnh lưu
bao gồm:
- Mạch phát xung: có nhiệm vụ cung cấp xung tín hiệu điều khiển các ngắt điện theo
tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển vòng kín. Mạch phát xung điều khiển pha đã được
giới thiệu chi tiết ở III.6, có thể tham khảo đặc tính vi mạch điều khiển pha TCA785 (thuộc
họ TCA78x) ở phần phụ lục.
- Khối bảo vệ: Trong bộ nguồn bán dẫn, ngoài các bảo vệ cơ bản đã được giới thiệu
trong chương I là ngắt ngỏ vào hay tắt tín hiệu điều khiển SCR khi xảy ra sự cố trong hệ
thống, chức năng bảo vệ còn dễ dàng được tích hợp vào khối điều khiển vòng kín nhằm hạn
chế ngỏ ra (dòng, áp…) không ra ngoài vùng làm việc cho phép, tránh các khả năng hư hỏng
có thể xảy ra.
- Khối điều khiển vòng kín: Có nhiệm vụ điều khiển ngỏ ra BBĐ để bộ nguồn có tính
chất mong muốn bằng cách xử lý tín hiệu phản hồi từ tải hay bên trong BBĐ và tín hiệu đặt
theo các nguyên lý điều khiển tự động. Bộ nguồn một chiều, bộ nguồn nói chung và hầu hết
thiết bị điều khiển công nghiệp đều sử dụng hệ thống điều khiển nhiều vòng sẽ được giới
thiệu chi tiết ở VI.4.
VI.3 BỘ NGUỒN XUNG (SWITCHING POWER SUPPLY):
Các bộ nguồn xung hay bộ cấp điện đóng ngắt có sơ đồ khối 3, 4 ở mục VI.1, với
trung tâm là BBĐ áp một chiều hay bộ nghịch lưu dùng transistor làm việc ở hàng chục hay
trăm KHz cho phép giảm kích thước, giá thành. Do đó bộ nguồn xung được sử dụng phổ biến
trong các thiết bị điện tử dân dụng, làm nguồn cho các khối điều khiển, đo lường trong các
Trang 7/ chuong 2

Điện tử công suất II A


thiết bị công nghiệp.
1. Sơ đồ ổn áp đóng ngắt thay thế ổn áp tuyến tính:
Từ những năm 70, BBĐ áp một chiều làm việc ¼ mặt phẳng tải đã được dùng để thay
thế các mạch ổn áp tuyến tính và được gọi là ổn áp đóng ngắt. Để có áp ra bằng phẳng,

mạch lọc LC luôn được sử dụng. Mạch ổn áp đóng ngắt có những đặc điểm:
- Ưu: hiệu suất cao nhờ đã thay đổi từ chế độ làm việc của linh kiện công suất từ
khuếch đại thành đóng ngắt, nhờ đó giảm được kích thước tản nhiệt và giá thành hệ thống.
- Nhược: có nhấp nhô áp ra, mạch điều khiển phức tạp nhưng được khắc phục bằng
cách sử dụng vi mạch chuyên dùng.
ΔV

S1

Io

Q1

+

L

+
D1

V

V

Điều khiển

_

io

Vo

Tải

Io
v
o

_

C

Hình VI.3.2 Ổn áp đóng ngắt

Hình VI.3.1 Ổn áp tuyến tính

Sau đó, sơ đồ này hầu như đã bị thay thế trong các bộ nguồn xung, khi việc đưa BBĐ
ra trước biến áp giảm áp cho phép sử dụng biến áp tần số cao có kích thước rất nhỏ so với
biến áp dùng tần số lưới và giá thành thấpï để ta có được các bộ nguồn xung ngày nay. Có
hai dạng BBĐ được sử dụng: ở tầm công suất bé (<200W) các sơ đồ Flyback được sử dụng
và ở tầm lớn hơn thì chủ yếu là bộ nghịch lưu một pha.
2. Cấp điện đóng ngắt (bộ nguồn xung) sử dụng nghịch lưu:
T1

+
C1

S1

D1

C3

Dao động tam giác
u
ĐB

V
T1
_

C2

S2

L1

2
CLK

Q

1
2

3

S1

-Q

4

D2

k

5

6

S2

Hình VI.3.2a: mạch động lực phần nghịch Hình VI.3.2b mạch điều khiển điều rộng xung dẩy
lưu của cấp điện đóng ngắt (bộ nguồn xung)- sơ
kéo
đồ nửa cầu

Bộ nghịch lưu có thể dùng cho bộ cấp điện đóng ngắt có sơ đồ khối 4 được giới thiệu
ở mục 1, biến đổi điện một chiều thành xoay chiều, cung cấp cho biến áp tần số cao. Nhờ
làm việc ở tần số cao (>25KHz), kích thước, giá thành biến áp và mạch lọc ngỏ ra giảm
đáng kể. Sơ đồ này cho phép bộ biến đổi không bị giới hạn công suất như các sơ đồ flyback.
Hình VI.3.2a cho ta sơ đồ sử dụng nghịch lưu nửa cầu. Ở công suất lớn hơn 300W,
người ta thường dùng sơ đồ cầu (4 transistor). Để giữ ổn định điện áp ngỏ ra, nó được phản
hồi để thay đổi độ rộng xung bộ nghịch lưu. Với sơ đồ nửa cầu, ta chỉ có thể điều khiển
không hoàn toàn bằng cách thay đổi trực tiếp độ rộng xung điều khiển transistor. Ngỏ ra một
chiều lấy ở thứ cấp T1 là biến áp giảm (tăng) áp, sau khi chỉnh lưu và lọc phẳng. Với nhận
Trang 8/ chuong 2

Điện tử công suất II A

xét điện áp sau chỉnh lưu lại có dạng điều rộng xung, người ta còn gọi nguyên lý điều khiển
bộ biến đổi này là điều rộng xung đẩy kéo (push-pull). Hình VI.3.2b là mạch điều rộng xung
đẩy kéo và các dạng áp . Đây là phần lõi của TL494 là vi mạch điều khiển bộ nguồn xung
thông dụng.

Ví dụ tính toán bộ nguồn xung dùng nghịch lưu một pha:
Tính toán mạch động lực bộ cấp điện dùng nghịch lưu (sơ đồ ½ cầu hình V.8.1), ngỏ ra
5V/20 A, ngỏ vào 260 VDC.
- Chọn tần số ngỏ ra 20 Khz, độ rộng xung tương đối α = ton/T= 0.5.
=> biên độ áp thứ cấp 5/0.5 = 10 V.
Giả sử diod cầu sụt áp tổng 0.6 V
(dùng diod Schotky), biên độ thứ cấp biến
áp là 10 + 0.6 = 10.6 V. Biên độ sơ cấp là
½ áp nguồn một chiều (nghịch lưu nữa cầu):
=> tỉ số biến áp: 260 / (2 * 10.6) = 12.3.
Phân tích dạng dòng => trị trung
bình dòng qua L1 cũng chính là dòng tải Io,

áp Sơ cấp biến áp

v
o
Io

Thứ cấp biến áp
sau chỉnh lưu

i
o

giả sử dòng qua Diod là phẳng => biên độ
Hình VI.3.2c Dạng dòng, áp sau chỉnh lưu thứ
của nó cũng là Io = 20 A.
cấp biến áp.

Chọn dòng trung bình qua D là kat. Io = 1.5 * 20 = 30 A; aùp qua D > 10 V, chọn 25
V, loại Schotky.
Hiệu dụng cuộn dây thứ cấp 20 / 2 = 14 A , hiệu dụng cuộn dây sơ: 14 / 12.3 = 1.2 A
Chọn ngắt điện nghịch lưu theo biên độ dòng qua nó, bằng 20 /12.3 = 1,6 A
Chọn transistor đóng ngắt công suất, dòng định mức 5 A / 600 V.
5. Sơ đồ bộ nguồn xung Flyback:
Mạch động lực bộ nguồn xung dùng sơ đồ Flyback đã được giới thiệu chi tiết ở
chương IV, Các sơ đồ cụ thể có thể tìm được ở tài liệu các hãng cung cấp và ở phụ lục (phần
cuối chương).
6. Sơ đồ bảo vệ quá áp cho ngắt điện trong bộ nguồn xung Flyback:
Hình VI.2.3 là là mạch động lực và các dạng áp bộ nguồn xung sử dụng BBĐ áp một
chiều loại flyback dùng biến áp, có bộ bảo vệ xung áp gồm diod phục hồi nhanh D, tụ điện
C và điện trở R. MosFET Q là ngắt điện S, có áp cực Drain là vD có dạng trên hình khi
không có mạch bảo vệ xung áp. Khi Q tắt, dòng từ hoá sơ cấp chuyển sang thứ cấp để cung
cấp cho mạch tải. Có thể chứng minh là vD bằng hai lần áp nguồn V lúc này. Cũng từ hình
vẽ này, ta quan sát được là khi Q vừa ngắt, ta có xung qúa áp rất cao, tồn tại trong thời gian
rất ngắn xuất hiện do quá trình chuyển dòng từ sơ cấp sang thứ cấp biến áp không xảy ra tức
thời. Thời gian này xuất hiện do các LC ký sinh trong biến áp T, nó tạo ra quá áp cho Q và
làm giảm hiệu suất của BBĐ. Tụ điện C của mạch bảo vệ làm giảm biên độ xung quá áp,
điện trở R phải tiêu thụ được năng lượng xung áp này trong phần còn lại của chu kỳ để C có
thể nạp được ở chu kỳ kế tiếp.
Trang 9/ chuong 2

Điện tử công suất II A

V

C

v
C

R
D

v
C

2V

v
D

T

v
D

V

Q

Q off

Q on

t

Hình VI.3.3: Bộ bảo vệ quá áp xung cho BBĐ flyback ghép biến áp.

Bài tập: Từ mô tả hoạt động của bộ bảo vệ xung áp, biện luận sự ảnh hưởng lên điện
áp vD lúc Q khóa của việc thay đổi giá trị điện trở R.
7. Sơ đồ bộ nguồn xung dùng BBĐ áp một chiều loại Forward:
Ở công suất nhỏ, ta có thể gặp sơ đồ bộ nguồn xung
trên hình VI.2.4. Vì nguồn cung cấp năng lượng cho tải khi
ngắt điện Q đóng nên nó thuộc nhóm Forward. Tương tự
như biến áp xung kích SCR khi có thời gian nghỉ bé, cần
phải giải phóng năng lượng từ hóa lõi sắt và mạch trả năng
lượng về lưới qua diod D1 được sử dụng. Lưu ý cực tính các
cuộn dây của biến áp trên hình VI.3.4.

V+

T1

D2

L1
C1

Q
D1

Để ý, mạch kích SCR xung rộng hình II.4.6b có thể Hình VI.3.4: Bộ nguồn xung loại
Forward dùng 1 ngắt điện.
sử dụng như bộ nguồn xung có cách ly (không ổn áp).

Bài tập: Vẽ dạng dòng áp trên các phần tử mạch điện hình VI.3.4, cho biết nguyên lý
để chọn số vòng cuộn dây trả năng lượng.
VI.4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU:
Mục này giới thiệu một sơ đồ điều khiển vòng kín được sử dụng rất phổ biến không
những chỉ trong bộ nguồn một chiều hay thiết bị điện tử công suất khác, mà còn ở các bộ
điều khiển công nghiệp, khi đối tượng là hệ thống quán tính. Do đó, các vấn đề được khảo
sát trong mục này có thể được dùng cho điều khiển vòng kín các bộ biến đổi nói chung, từ
cấp điện cho mạch điện tử hay thiết bị điện phân đến điều khiển động cơ trong chương sau.
1. Bài toán điều khiển bộ biến đổi (BBĐ):
Ngoài tính cách là một hệ thống tự động (HTTĐ) - yêu cầu đảm bảo chất lượng ngỏ
ra trong chế độ tónh (xác lập) và động (quá độ) - BBĐ còn có hai bài toán quan trọng sau:
- Dòng điện qua BBĐ hay các đại lượng của tải phụ thuộc dòng điện (như momen
của động cơ một chiều) phải được hạn chế không vượt quá giá trị cho phép.
- Điều khiển quá trình khởi động và dừng BBĐ. Người ta thường tăng áp đặt vào tải
từ từ khi khởi động BBĐ gọi là khởi động mềm (soft start). Thời gian khởi động có thể chọn
từ vài miligiây đến nhiều phút phụ thuộc tải. Quá trình dừng BBĐ cũng tương tự nhưng ít
được chú trọng hơn trong thực tế.
Trang 10/ chuong 2

Điện tử công suất II A


Để giải các bài toán trên, có thể vận dụng lý thuyết ĐKTĐ và có thể sử dụng nhiều
sơ đồ hiệu chỉnh khác nhau. Tuy nhiên, trong thực tế các BBĐ công nghiệp có một sơ đồ
điều khiển vòng kín giống nhau, đó là hệ thống điều khiển (HTĐK) nhiều vòng. HTĐK này
còn gọi là điều khiển trạng thái hay tọa độ vì các biến cần điều khiển cũng là các biến trạng

thái hay các tọa độ của mặt phẳng pha biễu diễn hệ thống.
2. HTĐK tọa độ:

ĐKx2
đặt2
+
_

PID

đặt1
+
_

Đối tượng

ĐKx1

PID

x1

P1

P2

x2

phản hồi
Hình VI.4.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiều vòng (hai vòng)

Một cách tổng quát, hệ thống điều khiển tọa độ là hệ thống một đầu vào và một đầu
ra (SISO) có sơ đồ khối như hình VI.4.1, bao gồm:
- đối tượng điều khiển là nhiều khối nối tiếp (trên hình là hai khối nối tiếp P1 và P2),
thường là BBĐ, tải của nó và các máy sản xuất . Ngỏ ra của các khối này sẽ là những thông
số cần điều khiển, thường là các biến trạng thái của đối tượng được điều khiển, ở hình trên
là x1, x2.
- Bộ điều khiển hay hiệu chỉnh (HC) nối tiếp có số lượng bằng số khối của đối tượng,
có phản hồi âm là các biến trạng thái của đối tượng, thường được gọi là bộ điều khiển các
biến tương ứng. Ngỏ ra của bộ HC vòng ngoài là tín hiệu đặt cho vòng trong. Ví dụ trên hình
VI.4.1 hệ thống có hai vòng, với biến trạng thái x1, có bộ điều khiển ĐKx1 và tín hiệu đặt1
là ngỏ ra của bộ ĐKx2. Nếu đối tượng có n khối nối tiếp tương ứng n biến trạng thái cần
điều khiển, HT sẽ có n vòng với n bộ hiệu chỉnh nối tiếp.
HTĐK tọa độ cho phép điều khiển được các biến trạng thái x1, x2 ... trong quá độ
cũng như xác lập. Các biến trạng thái được điều khiển theo tín hiệu đặt tương ứng. Chất
lượng quá độ (động học) của HT được đảm bảo bằng quá trình hiêïu chỉnh các vòng. Đặc tính
tónh (xác lập) không giống với các hệ thống thông thường do có các khâu bảo hòa. Trên hình
VI.4.1, khi các bộ hiệu chỉnh không bị bảo hòa, ngỏ ra x2 sẽ được điều khiển theo tín hiệu
đặt2. Khi bộ điều khiển ĐKx2 bị bảo hòa, ngỏ ra đặt1 của nó bằng hằng số và đây chính
là giá trị giới hạn của x1. Như vậy, vẫn là hệ SISO nhưng ta có thể điều khiển những biến
trạng thái của hệ thống bằng giá trị đặt (vòng ngoài cùng) hay giới hạn (các vòng trong).

Ví dụ: Với bộ nguồn một chiều, ta có hai vòng.
Vòng ngoài là điều khiển điện áp x2 = U, vòng trong là
điều khiển dòng điện x1 = I. Đây là 2 thông số của mặt
phẳng tải U, I cho biết sự làm việc của BBĐ (hình VI.4.2).
Bình thường, vòng điêù khiển ngoài giữ áp ra ổn định ở
giá trị Ulv . Khi tải tăng, áp ra giảm làm tăng sai lệch
vòng ngoài, bộ điều khiển áp tăng tín hiệu đặt cho bộ
Trang 11/ chuong 2

U

U

lv

I

gh

Điện tử công suất II A

I


điều khiển dòng của vòng trong cho phép dòng tải tăng . Hình VI.4.2: BBĐ ổn áp và hạn dịng
Nhờ đó áp trên tải được giữ ổn định (làm việc ổn áp) cho
đến khi bộ điều khiển áp bảo hòa. Khi đó hệ thống sẽ làm việc trên đặc tính hạn dòng I = Igh
vì tín hiệu đặt của bộ điều khiển dòng không thay đổi. Vậy nhờ hệ thống điều khiển hai vòng,
bộ nguồn DC bình thường giữ ổn định áp ra ở giá trị làm việc U = Ulv và hạn chế dòng ở giá
trị I = Igh khi bị quá tải.
Có thể lý luận tương tự để thấy rằng sơ đồ điều khiển này cũng hoạt động với bộ nạp
accu (hay các thiết bị điện hóa khác làm việc ở đặc tính ổn dòng, hạn chế áp cực đại), chỉ
khác nhau ở điểm làm việc trong chế độ bình thường.
Bài tập: Trong hệ thống điều khiển nhiệt độ, ta có hai vòng tương ứng với hai biến:
nhiệt độ dây đốt (hay nguồn nhiệt) và nhiệt độ vùng cần nung (sử dụng nhiệt). Hãy cho biết
tác dụng của điều khiển hai vòng đối với hệ thống này.
Quan sát: Hai bộ nguồn ổn áp có hạn dòng (bộ cấp điện ổn áp) và ổn dòng có giới
hạn áp (bộ nạp accu) có cùng sơ đồ điều khiển, chỉ khác cách vận hành.

3. Hiệu chỉnh HT hệ thống điều khiển tọa độ:
Một cách tổng quát, để có thể điều khiển được n biến trạng thái như đã giới thiệu ở
mục 1, ta có thể tính toán hiệu chỉnh theo lý thuyết điều khiển tự động lần lượt n vòng từ
trong ra ngoài, vòng trong sau khi hiệu chỉnh trở thành một phần của đối tượng vòng ngoài.
Trong thực tế, với nhận xét là hầu hết các đối tượng công nghiệp chỉ bao gồm các
khối quán tính (hàm truyền chỉ có cực ở phần âm trục thực) hệ thống điều khiển tọa độ dùng
trong công nghiệp đều sử dụng hiệu chỉnh PID với phương pháp khử cực – zero để đưa hệ
thống kín về các kiểu mẫu (model) với chất lượng biết trước.
a. Hai HT mẫu (model):
- HT Tối ưu module: Hàm truyền
vòng hở phản hồi đơn vị sau hiệu chỉnh có
dạng:
Wh1 ( s) =

1
2 ⋅ T ⋅ s ⋅ (T ⋅ s + 1)
Hình VI.4.3 Giản đồ Bode Wh1 của HT tối ưu module

HT kín vô sai với ngỏ vào hàm nấc, có dự trữ pha 65O , dự trữ biên là vô cùng (giản
đồ Nyquyist không cắt trục thực). Quá trình quá độ có dạng bậc hai tới hạn, vọt lố
POT
= 4.3% , thời gian lên 4.7T và thời gian đạt 95% biên độ xác lập là 7 T.
HT tối ưu module là khối cơ sở, cho phép thực hiện algorit hiệu chỉnh PID cho HTĐK
tọa độ (nhiều vòng).
- HT Tối ưu đối xứng: Hàm truyền vòng hở phản hồi đơn vị sau hiệu chỉnh có dạng:
Wh2 ( s) =

(4 ⋅ T ⋅ s + 1)
8 ⋅ T 2 ⋅ s2 ⋅ (T ⋅ s + 1)

HT tối ưu đối xứng là kết quả của khâu hiệu chỉnh có tích phân một đối tượng có
khâu tích phân để nhận được hai cực ở gốc tọa độ. Khâu tích phân của bộ hiệu chỉnh là cần
thiết để đảm bảo hệ thống sẽ không sai số theo nhiễu. Giản đồ Bode có hai điểm gảy đối
xứng qua điểm cắt trục hoành ωc (hình VI.4.4a).
Trang 12/ chuong 2

Điện tử công suất II A


HT kín vô sai với ngỏ vào hàm dốc, có dự trữ pha 36O, dự trữ biên vô cùng, vọt lố
POT = 43% , thời gian lên là 3 T, thời gian quá độ là 14.6 T .

Hình VI.4.4a: Giản đồ Bode Wh2 của HT tối ưu đối
xứng

Một cách tổng quát, tử số hàm truyền
hệ hở sau khi hiệu chỉnh có dạng (Tn.s+1).
Quá độ hàm nấc của hệ thống với các giá trị
Tn/T khác nhau được vẽ trên hình VI.4.4b.
Và phụ thuộc vào đáp ứng mong muốn mà Hình VI.4.4a: Quá độ hàm nấc của HT tối ưu đối
Tn có thể lớn hơn 4T (Xem giản đồ Bode xứng với các giá trị của Tn khác nhau.
trường hợp tổng quát trên hình VI.4.6).
Với Tn = 4T, hệ thống đáp ứng nhanh (thời gian lên 3T) nhưng vọt lố cao. Để hạn
chế nhược điểm này, cần sử dụng tín hiệu đặt là hàm dốc hay nối tiếp tín hiệu đặt một khâu
quán tính thời hằng T.
Kiểu mẫu tối ưu module được dùng cho các vòng trong (lý do được giải hích ở mục c.
kế tiếp) và có thể hiệu chỉnh tối ưu đối xứng hay module cho vòng ngoài cùng phụ thuộc đặc
tính mong muốn của hệ thống.
b. Hiệu chỉnh PID (vi tích phân tỉ lệ): có dạng:

HC = K p + K i / s + K d s =

(Ta s + 1)(Tb s + 1)
Ti s

trong đó:
Kp, Ki, Kd: là các hệ số khuếch đại tương ưng với các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân
được sử dụng khi điều khiển bằng chương trình.
Ta, Tb , Ti là các thời hằng, được sử dụng khi tính toán hiệu chỉnh. Hàm truyền PID có
hai zero và một cực ở gốc tọa độ. Theo nguyên lý khử cực – zero, các zero được dùng để
loại bỏ các cực không mong muốn. Để hệ thống có đáp ứng nhanh, ta ưu tiên loại bỏ các thời
hằng lớn (cực gần gốc tọa độ). Khâu tích phân được thêm vào nhằm triệt tiêu sai số xác lập,
nhưng thời hằng tích phân Ti xác định đặc tính quá độ mong muốn.
Khi cho các hệ số bằng 0, ta nhận được các sơ đồ điều khiển P, PD, I, PI:
Hiệu chỉnh P HC = K p =

1
Ti

Hiệu chỉnh PD HC = K p + K d s =

hiệu chỉnh I

(Ta s + 1)
Ti

HC = K i / s =

1
Ti s

hiệu chỉnh PI HC = K p + K i / s =

(Ta s + 1)
Ti s

Sau đây là các ví dụ hiệu chỉnh PID dùng nguyên lý khử cực-zero:
Trang 13/ chuong 2

Điện tử công suất II A


- Đối tượng bậc 2 có và không có tích phaân:

W=

K
(T1s + 1) (T2 s + 1)

K
W=
s (T2 s + 1)

Hiệu chỉnh PI để có tối ưu module
T 1 > T2
Hiệu chỉnh PI để có tối ưu đối xứng
và P để có tối ưu module

- Đối tượng bậc 3 không có tích phân:
Hiệu chỉnh PID để có tối ưu module

W=

K
T 1 > T2 > T3
(T1s + 1)(T2 s + 1)(T3 s + 1)

HC =

(Ta s + 1)(Tb s + 1)
Ti s

với Ta = T1; Tb = T2; Ti/K = 2.T3

Hình VI.4.5: Hiệu chỉnh hệ thống bậc 3 về tối ưu
module.

- Đối tượng bậc 3 có tích phân:
W=

K
T 1 > T2
s (T1s + 1)(T2 s + 1)

Hiệu chỉnh PID để có tối ưu đối
xứng (hình ):
Ta = T1; Tb = 4.T2; Ti/K = 8.(T2)2
và PD để có tối ưu module

HC =
Hình VI.4.6: Hiệu chỉnh hệ thống bậc 3 có tích phân

về tối ưu đối xứng với Tn thay đổi.

1
(Ta s + 1)
Ti

Chọn Ta = T1; Ti/K = 2.T2

Nhận xét: Với bộ hiệu chỉnh PID, ta chỉ có thể khử được 2 zero, do đó mẫu số hàm
truyền đối tượng cần đưa về bậc 3 kể cả tích phân.
c. Các hàm truyền gần đúng:
Để có thể thực hiện việc hiệu chỉnh hệ thống nhiều vòng các hệ thống công nghiệp
theo nguyên lý khử cực – zero như mục b. ta cần phải sử dụng một số quan hệ gần đúng dựa
trên cơ sở là đặc tính pha hai HT có cùng giá trị trong vùng khảo sát :
- Để có thể tiếp tục hiệu chỉnh các vòng ngoài, đối tượng của nó phải là hệ quán tính.
Suy ra hàm truyền vòng trong sau khi hiệu chỉnh cũng phải là một khâu quán tính (có cực ở
phần âm trục thực). Đặc tính pha - tần số trong hình VI.4.7 cho thấy có thể thay thế hệ thống
Trang 14/ chuong 2

Điện tử công suất II A


tôí ưu module bằng hàm truyên tương đương bậc 1 nhö sau:

Wk1 =

Wh1
1
=
1 + Wh1 2T .s (T .s + 1) + 1

1
2T .s + 1

Do đó, các vòng trong chỉ có thể hiệu chỉnh thành tối ưu module để có thể thực hiện
việc hiệu chỉnh tiếp tục các vòng ngoài sau khi thay thế các vòng trong bằng hàm truyền
tương đương.

(a) So sánh

1
1
và
j 2w + 1 j 2w( jw + 1) + 1

(b) So sánh

1
1
và
jw + 1 (1 + jw / n) n

Hình VI.4.7: So sánh đặc tính pha – tần số của các hàm truyền tương đương, ta nhận xét
chúng có cùng đặc tính ở các giá trị pha ≤ 60o , cho phép thay thế lẫn nhau.

- Thu gọn nhiều khâu quán tính có hằng số thời gian bé về quán tính bậc nhất để
giảm bậc mẫu số các hàm truyền đối tượng có bậc > 3:
Wh =

K

(T1.s + 1)(T2 .s + 1)∏ (Tn s + 1)

K
(T1.s + 1)(T2 .s + 1)(∑ Tn .s + 1)

n

n

trong đó Tn là các thời hằng bé. Nhờ công thức gần đúng này mà ta có thể sử dụng
hiệu chỉnh khử cực-zero đối tượng quán tính có bậc cao hơn 3. Trên hình VI.4.7b, ở giá trị
pha ≤ 60o , một cực ở 1/T có đặc tính tương tự như n cực ở 1/nT.
- Tương tự, khâu trễ thời gian τ cũng tương đương với quán tính bậc 1 thời hằng τ.
Wh = K .e −τ s

K
(τ .s + 1)

Ví dụ: Hãy chọn và tính các bộ hiệu chỉnh của hệ thống điều khiển hai vòng, có đối
tượng là hai khâu quán tính nối tiếp như sau:

⎡
⎤ x1 ⎡ 1 ⎤ x 2
100
u
⎯⎯
→⎢
⎯⎯
→ ⎢ ⎥ ⎯⎯→
⎥

2
⎣ 2.s ⎦
⎣ (0.05s + 1) (0.2s + 1)(2 s + 1) ⎦
Voøng trong:

Trang 15/ chuong 2

Điện tử công suất II A


- Đưa đối tượng về bậc 3: H 1 =
- hiệu chỉnh PID: HC1 =

100
(0.05s + 1) (0.2 s + 1)(2s + 1)
2

100
(0.1s + 1)(0.2 s + 1)(2s + 1)

(Ta.s + 1)(Tb.s + 1)
để có HT tối ưu module
Ti.s

chọn T = 0.1 để HT có đáp ứng là nhanh nhất, hàm truyền vòng hở sau khi hiệu chỉnh:

HC1* H 1 =

1
0.2 s (0.1s + 1)

=> Ta = 0.2, Tb = 2 và Ti = 0.2*100 = 20 và hàm truyền vòng kín sau hiệu chỉnh:
1
1
Wk1 =
(hàm truyền tương đương giảm bậc)
0.2 s (0.1s + 1) + 1 0.2s + 1
Vòng ngoài: đối tượng cần hiệu chỉnh: Wh = Wk1* H 2 =
- Có thể chọn hiệu chỉnh P: HC 2 = Kp =

HC 2*Wh =

1
1
.
0.4 s (0.2s + 1)

1
1
,
.
2 s (0.2s + 1)

1
để có HT tối ưu mun:
Ti

=> Ti.2 = 0.4 => Ti = 0.2 hay Kp = 5

- hay hiệu chỉnh PI để có hàm truyền sau hiệu chỉnh là tối ưu đối xứng với T = 0.2:

HC 2*Wh =

Ta s + 1 1
1
(4Ts + 1)
1
i i
≡
.
2 2
Ti s 2s (0.2 s + 1)
8T s
(Ts + 1)

=> Ta = 4T =0.8; 2*Ti = 8T2 => Ti = 0.16
e. YÙ nghiã thực tiễn của hiệu chỉnh tọa độ:
Như đã giới thiệu ban đầu, HT điều chỉnh tọa độ được sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp vì nó rất dễ sử dụng và có tính phổ quát cao. Thuật toán hiệu chỉnh như trình bày ở
trên cho thấy PID có thể hiệu chỉnh hệ thống quán tính có bậc bất kỳ, đây chính là mô hình
của đa số máy móc công nghiệp. Vì thế, các bộ điều khiển công nghiệp (động cơ, quá trình)
luôn tích hợp sẵn bộ PID và người sử dụng chỉ cần chỉnh các thông số PID là HT có thể hoạt
động với chất lượng có thể chấp nhận được. Thuật toán chỉnh định thông số bộ hiệu chỉnh
gồm 2 phần: cách hiệu chỉnh PID một biến trạng thái (một vòng) và hiệu chỉnh hệ nhiều
vòng.
- Hiệu chỉnh PID: Nguyên tắc hiệu chỉnh là quan sát quá trình quá độ với đầu vào
hàm nấc, thay đổi các Ki, Kp, Kd đến khi có quá độ mong muốn. Đối với các thiết bị ĐTCS
(bộ nguồn, bộ điều khiển động cơ), người ta chỉ cung cấp hiệu chỉnh PI vì chính BBĐ là một
nguồn nhiễu tần số cao (bằng tần số đóng ngắt của ngắt điện) và như thế chỉ có bộ điều
khiển quá trình (vị trí, nhiệt, áp suất, lưu lượng... ) mới cần hiệu chỉnh PID.

Đầu tiên, ta cho Ki, Kd bằng không, tăng dần Kp đến khi hệ thống bắt đầu có vọt lố
(hay gần vọt lố). Sau đó tăng dần Ki đến khi có có đáp ứng tới hạn (vọt lố < 5%) khi hiệu
chỉnh thành tối ưu modun hay quá độ dạng bậc hai (dao động 1- 2 chu kỳ) để sử dụng. Bổ
sung Kd để giảm vọt lố nếu cần.
- Hiệu chỉnh HT nhiều vòng: Chỉnh từng bộ điều khiển, từ vòng trong dần ra vòng
ngoài. Khi hiệu chỉnh các vòng trong, cần giảm các giá trị bảo hòa của các bộ điều khiển
Trang 16/ chuong 2

Điện tử công suất II A


vòng ngoài để tín hiệu đặt của vòng trong là không đổi: ta quan sát được quá trình quá độ
hàm nấc của vòng trong.
Ví dụ bộ điều khiển tốc độ động cơ có hai biến là dòng điện (vòng trong) và tốc độ
(vòng ngoài). Để hiệu chỉnh dòng điện, ta hạn chế dòng (mức bảo hòa của vòng tốc độ) đến
nổi động cơ không đủ momen để quay, như vậy ta không có quá độ tốc độ và có thể quan sát
được quá độ hàm nấc của dòng điện. Khi chỉnh xong vòng dòng điện, tăng mức hạn chế
dòng để động cơ có đủ momen quay và ta sẽ quan sát được quá độ tốc độ.
3. Các mạch điện thường dùng:
a. Bộ hiệu chỉnh PID dùng 1 OPAM:

7

R26

C4

R22

U7

3

Ui

R21

C7

VR1

6

2

VR2

--Ufh

4

Uo

2

VR3
U6

3

R27

ặ t

Hình VI.4.8 (a) Sơ đồ nguyên lý bộ hiệu chỉnh PID

C5

4

R24

6

U
đk
7

C6

(b) Sơ đồ thực tế: PID --> sớm trễ pha, chỉ có vi
phân ở đường phản hồi.

b. Bộ hiệu chỉnh PID dùng 4 OPAM: .

Tỉ lệ

Hình VI.4.8.c cho phép
chỉnh độc lập từng thành phần PID
(Xem tài liệu ĐKTĐ)

Vi phâ n

Ui

+

Uo

Tích phâ n

c. Mạch hạn chế biên độ:

Vì ngỏ ra của bộ hiệu chỉnh vòng ngoài là tín hiệu đặt của bộ hiệu chỉnh vòng trong,
mức bảo hòa của bộ hiệu chỉnh vòng ngoài sẽ xác định giới hạn của biên độ ngỏ ra của vòng
trong. Các mạch thay đổi mức bảo hòa (hạn chế biên độ) ngỏ ra KĐTT thường dùng.
-- VCC

U10
6

Uo

Hình VI.4.9 (a) Mạch hạn chế biên độ ngỏ
ra dùng diod (bảo hòa ở V1 > 0)

Uo
R13

+VCC

3

6

2

U3

VR

Hình VI.4.9 (b)
Mạch
dùng
KĐTT phụ

4

3

6

3

D4

7

R31

Ui

7
7

4
2

Ui

U1

2

VR1

R3

4

R6

D7

0.01uF

10K

d. Mạch tạo hàm dốc (RAMP):
Khi tín hiệu đặt của các BBĐ là hàm nấc, HT luôn có vọt lố ngỏ ra khá cao do sai số

quá lớn ban đầu, nhất là khi sử dụng kiểu mẫu tối ưu đối xứng. trong công nghiệp, tín hiệu
Hình VI.4.10 Mạch tạo hàm dốc và ứng dụng

Trang 17/ chuong 2

Điện tử công suất II A


--V

wđ
wđ

D1

tkđ

t

Hình 5 : tín hiệu đặt hàm RAMP

Đồ thị tốc độ đặt của truyền
động nâng hạ buồng thang máy

Vo
R3

2

U2

(c)

(a)

V

3

6

0.01uF

POT1
R4

4

(b)

6

3

POT2

7
7

0

U1

2

t

C1

4

R1

v(t)

10k

đặt thường có dạng hàm dốc, hay ít ra là hàm mũ (1 – e-t/T) của mạch nạp tụ. Ở những hệ
thống điều khiển các chuyển động có người như ở thang máy, không chỉ tín hiệu đặt mà các
đạo hàm của nó cũng cần liên tục để tránh gia tốc và độ giật lớn, tạo cảm giác an toàn, thoải
mái cho người sử dụng. Hình VI.4.10c cho ta một mạch điện tạo hàm dốc dùng hai KĐTT.
Lọc nhiễu và cách ly: Trong hình
VI.4.8, các bộ lọc hình T dùng RC lọc nhiễu
ở đầu vào và cách ly giữa các tầng để chống
các khả năng cài hay dao động của khuếch
đại thuật toán.

R/2

R/2

Vi

Vo
104

Hình VI.4.10: Lọc T giữa các tầng: điện trở R
tách làm đôi, thêm vào tụ điện 0.1 uF

PHỤ LỤC CHƯƠNG 6
VI MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ NGUỒN XUNG 3842
1. GIỚI THIỆU CHUNG:
Phần phụ lục này giới thiệu họ vi mạch 3842..3846, điều khiển bộ nguồn xung loại FLYBACK,
sử dụng MOSFET. Người ta gọi nhóm vi mạch này là điều rộng xung lọai dòng điện (current mode
PWM) khác với nguyên tắc PWM mô tả ở II.5.1. MosFET sẽ dẫn điện từ đầu chu kỳ và sẽ bị khóa khi
dòng vượt qua giá tri đặt bởi ngỏ ra bộ hiệu chỉnh. Nguyên tắc điều khiển như vậy rất thích hơp với các
BBĐ loại flyback biến đổi năng lượng qua trung gian dòng điện. Các vi mạch trong nhóm chỉ khác nhau
vài thông số phụ thuộc mã số. Tiếp đầu ngữ cho biết nhà chế tạo, số đầu từ 1 (1842) đến 3 (3842)
phụ thuộc nhiệt độ làm việc.

Trang 18/ chuong 2

Điện tử công suaát II A


Hình PL4.1 Sơ đồ khối và mô tả chân EC 3842, số chân trong ngoặc khi sử dụng vỏ DIP14.
Vi mạch EC 3842 là bộ điều chế độ rộng xung loại dòng điện, chuyên dùng cho BBĐ flyback
có sơ đồ khối hình PL4.1, cấp điện đến 30 volt (phụ thuộc mã số) , bao gồm:
- Mạch ổn áp 5V / 20 mA (chân 8/14) cho mạch ngoài và áp chuẩn 2.5 V cho mạch khuếch
đại sai số ERROR AMPLIFIER (bộ hiệu chỉnh).

- Mạch bảo vệ giảm áp nguồn cấp điện Under Voltage Lock Out, không cho mạch làm việc khi
nguồn giảm xuống dưới giá trị cho phép (phụ thuộc mã số).
- Bộ dao động tần số cực đại là 500 kHz, chỉnh bằng RC ở chân 4/7.
- Ngỏ ra lái MosFET dùng mạch bổ phụ transistor, dòng tiêu biểu +/- 200mA.
- Mạch khuếch đại sai số ERROR AMPLIFIER (thực chất là bộ hiệu chỉnh vòng kín) có ngỏ vào
là tín hiệu đặt V REF = 2.5 V và tín hiệu phản hồi Voltage Feedback Input (chân 2/3), tác động lên bộ
phát xung điều rộng sao cho sai lệch ngỏ vào của nó giảm về 0.
- Sự điều chế độ rộng xung loại dòng điện thực hiện bằng bộ so sánh dòng và set-reset flipflop. Bộ so sánh dòng có hai ngỏ vào là điện áp tỉ lệ với dòng điện tải I SENSE và ngỏ ra mạch
khuếch đại sai số ERROR AMP. Khi I SENSE > ngoû ra ERROR AMP (sau khi giảm áp), bộ so sánh sẽ
lên 1, reset RS FF và MosFET bị khóa. Như vậy giá trị đỉnh dòng qua MosFET sẽ được xác định bởi sai
lệch điện áp phản hồi so với giá trị đặt. RS FF chỉ đổi trạng thái, cho phép MosFET làm việc khi bắt
đầu chu kỳ làm việc mới (các dạng sóng trên hình PL4. 2).
- Độ rộng xung tương đối α cực đại có thể khống chế bằng cách chọn tụ dao động CT . Đối
với vi mạch mã số từ 3844 – 3846, trị số này là 0.5. Điều này rất khác so với lý thuyết là phạm vi
thay đổi từ 0 .. 1. Lý do là để tránh bảo hòa cuộn dây.

Trang 19/ chuong 2

Điện tử công suất II A


hình PL4. 2: Các dạng sóng ở các chân khi thay đổi độ rộng xung.
3. Mạch tiêu biểu:
Hình PL4.3 là sơ đồ bộ nguồn xung dùng vi mạch 3842 (3844). Sơ đồ này tiểu biểu cho các
mạch nguồn lọai flyback, trong đó ngắt điện IGBT thường được thay thế bằng MosFET.
Năng lượng được cung cấp từ lưới qua bảo vệ quá áp dùng varistor và bộ giảm nhiễu LC. RTC
là điện trở thay đổi theo nhiệt, hạn chế dòng nạp tụ lọc nguồn C1, C2 khi đóng nguồn. R3 là điện trở
cấp nguồn ban đầu ( điền trở mồi) cho mạch điều khiển, nguồn thật sự cho mạch điều khiển lấy từ
biến áp, chỉnh lưu qua D1.
R8, C4 là hai phần tử xác định tần số dao động. R9, C5 là mạch phản hồi dòng qua IGBT, đưa

vào so sánh.
Việc ổn định điện áp ngỏ ra thực hiện qua vi mạch ổn áp song song TL431, so sánh áp ra và
chuẩn 2.5V bên trong để thay đổi dòng phân cực OPTRON PC817. Transistor ở ngỏ ra OPTRON sẽ
thay đổi dòng cực thu và làm thay đổi độ rộng xung lái IGBT.

Hình PL4.3 Sơ đồ bộ nguồn xung có và không có dùng vi mạch TL431. Dòng tải cảm nhận về
qua RC trước khi vào so sánh để lọc bỏ gai dòng ban đầu khi turn-on MosFET.

Trang 20/ chuong 2

Điện tử công suất II A