Đồ án môn học Điện tử công suất: Thiết kế bộ biến đổi xoay chiều một chiều tự động duy trì điện áp ra theo lượng đặt trước

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ
thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong cơng nghiệp điện tử thì các thiết bị
điện tử có cơng suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều. Và đặc biệt các
ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và
đang được phát triển hết sức mạnh mẽ.
Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của cơng
nghiệp thì ngành điện tử cơng suất ln phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối
ưu nhất. Đặc biệt với chủ trương cơng nghiệp hố - hiện đại hố của Nhà nước,
các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động
điều khiển vào trong sản xuất. Do đó địi hỏi phải có thiết bị và phương pháp
điều khiển an tồn, chính xác. Đó là nhiệm vụ của ngành điện tử cơng suất cần
phải giải quyết.
Chính vì vậy đồ án mơn học điện tử cơng suất là một yêu cầu cấp thiết cho
mỗi sinh viên TĐH. Nó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh
viên, và cũng là điều kiện để cho sinh viên ngành TĐH tự tìm hiểu và nghiên
cứu kiến thức về điện tử cơng suất. Với chương trình đào tạo của nhà trường
cùng với yêu cầu của khoa em được phân công thiết kế đồ án môn học điện tử
cơng suất có đề tài: “Thiết kế BBĐ xoay chiều một chiều tự động duy trì
điện áp ra theo lượng đặt trước”.
Đồ án này gồm 6 chương:
Chương 1. Thiết kế sơ đồ mạch động lực.
Chương 2. Thiết kế mạch điều khiển.
Chương 3. Tính chọn thiết bị.
Chương 4. Xây dựng các quan hệ cơ bản.
Chương 5. Thuyết minh nguyên lý tồn hệ thống.

Sau đây là phần tính tốn, thiết kế đồ án môn học của em.

1

CHƯƠNG 1. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC
1. Đặt vấn đề
Trong kỹ thuật điện rất nhiều trường hợp yêu cầu biến đổi nguồn điện áp
xoay chiều thành nguồn điện áp một chiều và điều chỉnh điện áp một chiều đầu
ra. Để thực hiện việc này người ta có nhiều cách khác nhau, ví dụ như dùng tổ
hợp động cơ - máy phát, dùng bộ chỉnh lưu... nhưng phổ biến nhất và có hiệu
suất cao nhất là sử dụng các sơ đồ chỉnh lưu bằng các phần tử bán dẫn. Các sơ
đồ chỉnh lưu (bộ biến đổi xoay chiều – một chiều) là các bộ biến đổi ứng dụng
tính chất dẫn dòng một chiều của các phần tử điện tử bán dẫn để biến đổi điện
áp xoay chiều thành điện áp một chiều một cách trực tiếp.
Hiện nay các phần tử điện tử hầu như không được dùng trong các sơ đồ
chỉnh lưu vì có kích thước lớn, hiệu suất thấp. Các phần tử chủ yếu được sử
dụng hiện nay là các thyristor và các điôt bán dẫn. Các sơ đồ chỉnh lưu có nhiều
dạng khác nhau và được ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau, ví dụ như là
để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, cung cấp điện áp một chiều cho các
thiết bị mạ điện, điện phân, cung cấp điện áp một chiều cho các thiết bị điều
khiển, các đèn phát trung tâm và cao tần…. Các sơ đồ chỉnh lưu cũng được dùng
từ công suất rất nhỏ đến công suất rất lớn.
1.2. Chọn bộ biến đổi.
Bộ nguồn chỉnh lưu thường được phân loại theo các cách như sau:
* Theo cách nối dây : Mạch chỉnh lưu hình tia, hình cầu
* Theo số pha: Mạch chỉnh lưu 1 pha, 2 pha, 3 pha
* Theo cách điều khiển: Khơng điều khiển, có điều khiển, bán điều khiển
Với yêu cầu của đề tài có một số phương án sau:
1.2.1. Sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai pha.
a. Sơ đồ nguyên lý.
BA là máy biến áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, BA có nhiệm vụ như sau:
Tạo ra hệ thống điện áp xoay chiều hai pha khơng có trong lưới điện cơng
nghiệp. BA có một cuộn sơ cấp được đặt điện áp nguồn xoay chiều một pha u 1,

hai cuộn dây thứ cấp là W 21 và W22 có số vịng bằng nhau và được đấu như hình

2


1. Như vậy trên W21 và W22 ta có các điện áp u21 và u22 thoả mãn quan hệ u21 =
u22, đây là hệ thống điện áp xoay chiều hai pha cần thiết.

°

BA

i
1

*

W1

iT
1

U21
W21

*
U1

T1

i2
1

*

Ud
Ld

Ed

Rd

id

W22

°

U22

T2
i2
2

iT2

Đảm bảo sự cách ly về điện giữa mạch động lực của sơ đồ chỉnh lưu với nguồn
điện áp xoay chiều trong một số trường hợp cần thiết để đảm bảo an toàn cho
người vận hành và sửa chữa.
Giá trị điện cảm tản của BA tham gia làm giảm tối đa tăng của dòng qua

van khi mở van làm hạn chế được giá trị di T/dt để bảo vệ van, vì vậy khi đã sử
dụng máy biến áp để cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu thì khơng cần phải đưa điện
cảm vào mạch nguồn mà chỉ cần lựa chọn máy biến áp có giá trị điện áp ngắn
mạch phần trăm lớn ( uN % = 7 – 10 % ).
Các Thyristor T1, T2 biến điện áp xoay chiều thành một chiều.
- Ed, Ld, Rd các phần tử phụ tải.
b. Giản đồ dòng điện, điện áp của các phần tử .
Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha ứng với trường hợp tải Ld = ∞

3


u

ud (nét

u22

u21

v1

v2

π

0

α

đậm)

2π

α

v3

ωt

v3

ωt

α

iT1
0

Id

v1

v2

π

2π

iT2

0

v1

Id

π

ωt

2π

i1
0

Id/k

v1

ba

π

ωt

2π

2u21

uT1

u21

0

v1

π

v2

2π

v3

c. Các biểu thức tính tốn cơ bản:
Ud =udo cos α ; udo = (

2 2
)u2 = 0,9u2
π

U2 – giá trị hiệu dụng của điện áp một pha bên thư cấp BA.
4

ωt


ITtb =

Id
2

UTth max =UTng max = 2 2 u2, I2 =

Id
Id
, I1 =
.
2
Kba

1.2.2. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha dùng 4 thyristor
+ Sơ đồ nguyên lý.

BA

u1

T1

Rd

T3

u2

ud

T2

Ld

T4

Ed

Trong đó:
- BA là máy biến áp một pha cung cấp điện áp cho mạch chỉnh lưu
- W1 là cuộn dây sơ cấp có điện áp sơ cấp u1
- W2 là cuộn dây thứ cấp có điện áp thứ cấp u2
- Các Thyritor T1,T2 T3,T4 làm nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều thành điện
áp môt chiều, 4 van này được phân làm 2 nhóm : +T1,T3 được đấu Katot chung
+T2,T4 được đấu Anot chung
- Ed, Ld, Rd là các phần tử phụ tải
Giản đồ điện áp và dịng điện như hình 1.2

5


b. Giản đồ điện áp và dũng điện

u
u2

á

á

v3

đ

0

ud(nét
đậm)

á

v2

v1

2đ

ùt

iT1=

iT2
iT4

-u2

Id

iT3=

0

ùt
v1

Id

0

ùt

i1

Id/kb

0

uT1
uT2

=

a

đ

ùt

v3

v2

v1

0

2đ

đ

2đ

c. Các đại lượng được tính như sau
Ud = Udo Cosá ,Với Udo = 0,9U2
6

ùt


Uthmax =Ungmax = 2 U2
IT = Id/ 2

Nhận xét.
Với sơ đồ hình tia 2 pha, việc điều khiển các van dẫn ở đây tương đối đơn
giản. Tuy nhiên việc chế tạo máy biến áp có 2 cuộn dây thứ cấp giống hệt nhau,
mỗi cuộn dây chỉ làm việc có 1 nửa chu kỳ làm cho việc chế tạo máy biến áp
phức tạp với hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn, mặt khác điện áp ngược của các
van dẫn phải có trị số lớn nhất.
Với sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 1 pha có chất lượng điện áp ra hồn tồn
giống với sơ đồ hình tia 1 pha (ở biến áp trung tính). Hình dạng các đường cong
điện áp, dịng điện tải, dòng điện các van bán dẫn và điện áp của một van tiêu

biểu gần tựa nhau. Trong 2 sơ đồ dòng điện chạy qua van giống hệt nhau, nhưng
điện áp ngược van phải chịu nhỏ hơn UNV = 2 u2.
* Nói chung sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha có nhiều ưu điểm hơn, các
nhược điểm có thể khắc phục dễ dàng. Sơ đồ này có thể đáp ứng được yêu cầu
phụ tải như đề tài, vì thế chọn sơ đồ này.

7


1.3. Thiết kế sơ đồ mạch động lực.

iT1
°

i1

1

* *
u1i1

°

BAi i2T1
1

CK

•

•

C

R
•

iT3
T3
1

C

R
•

u2
i1
iT4
•
T4
1

Rd

ud
1

L
d

iT2•
T2

R
1
C
•

R

E
d
id

C
a. Giới thiệu sơ đồ
•
Trong sơ đồ này:
- BA- là máy biến áp cung cấp, với sơ đồ cầu một pha thì có thể dùng hoặc
khơng dùng máy biến áp.
- Các van điều khiển T1 đến T4 dùng để biến điện áp xoay chiều thành một
chiều. Bốn van này được phân thành 2 nhóm: Nhóm katơt chung gồm T 1 và T3,
nhóm anơt chung gồm T2 và T4.
- Ed, Ld, Rd là các phần tử của phụ tải.
- u1, u2 là điên áp trên cuộn dây sơ cấp (điện áp lưới) và điện áp cuộn thư
cấp.
- i1, i2 là dòng điên cuộn dây sơ cấp (dòng điện lưới) và dòng điện thứ cấp.
- Mạch bảo vệ RC.
- Cuộn kháng CK.

b. Nguyên lý làm việc của sơ đồ.
* Ta xét nguyên lý làm việc của sơ đồ trong trường hợp giả thiết phụ tải có
Ld = ∞ và xem rằng sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm ta bắt đầu xét.
Với đồ thị điện áp nguồn va giá trị góc điều khiển như trên hình vẽ, ta có
ngun lý làm việc của sơ đồ như sau:
8


Giả thiết trong khoảng lân cận phía trước thời điểm ω t = v1 = á Thì trong
sơ đồ 2 van T3 và T4 đang dẫn dòng. Tại ω t = v1 = á thì 2 van T1 và T2 đồng thời
có tín hiệu điều khiển, lúc đó điện áp trên 2 van này đều thuận (u T1 = uT2 = u2) do
vậy cả 2 van đều mở. Hai van T1 và T2 mở nên sụt áp trên chúng giảm về bằng
khơng và ta có: ud = u2 , uT3 = uT4 = - u2 Và tại ω t = v1 = á thì u2 > 0 tức là T3,T4
bị đặt điện áp ngược và khoá lại. Tại thời điển này ( ω t = v1) trong sơ đồ có 2
van T1 và T2 dẫn dòng, khi 2 van T1 và T2 làm việc thì:
ud = u2 ;
iT3 = iT4 = 0 ;
uT1 = uT2;
uT3 = uT4 = -u2;
iT1= iT2 = id = Id
Đến ω t = đ thì u2 = 0 và bắt đầu chuyển xang nửa chu kỳ âm nên nó tác
động ngược với chiều dịng qua T1 và T2 , đồng thời T3 và T4 lúc này có điện áp
thuận , nhưng T3 và T4 chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, vì vậy mà T 1 và
T2 tiếp tục dẫn dòng bởi s.đ.đ tự cảm sinh ra trong Ld do dịng tải có xu hướng
giảm.
Do T1 và T2 vẫn mở nên các biểu thức điện áp và dòng điện trên các phần
tử của sơ đồ vẫn giữ nguyên như trên.
Tại ω t = v2 = đ +á thì T 3 và T4 đồng thời có tín hiệu điều khiển, trên 2 van
đang có điện áp thuận nên T3 và T4 cùng mở. Hai van T3 và T4 mở nên sụt áp
trên chúng giảm về bằng khơng và ta có:

ud = - u2 ;
uT1 = uT2 = u2;
Và tại ω t = v2 = đ +á thì u2< 0, tức là T1 và T2 bị đặt điện áp ngược và khoá lại.
Từ thời điểm này ( ω t = v2) trong sơ đồ chỉ có 2 van T3 và T4 dẫn dòng, khi 2 van
T3 và T4 làm việc thì:
ud = - u2 ; iT1 = iT2 = 0 ; uT1 = uT2 = u2 ; uT3 = uT4 = 0; iT3= iT4 = id = Id
Đến ω t = 2đ thì u2 = 0 và bắt đầu chuyển xang nửa chu kỳ dương và nó tác
động ngược với chiều dịng qua T 3 và T4, đồng thời trên T1 và T2 có điện áp
thuận nhưng T1 và T2 vẫn chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, nên s.đ.đ tự
cảm sinh ra trong Ld vẫn làm T3 và T4 tiếp tục dẫn dòng.
Đến ω t = v3 = 2đ + á thì T1 và T2 đồng thời có tín hiệu điều khiển và T1 và
T2 lại cùng làm, T3 và T4 bị đặt điện áp ngược và khoá lại. Từ thời điểm này sơ
đồ lặp lại trạng thái làm việc như từ ω t = v1.
Giai đoạn ω t = 0 đến v1 có thể suy ra từ giai đoạn ω t = 2đ đến v3 do tính
chất lặp lại khi sơ đồ làm việc, ta thấy rằng nó hồn tồn phù hợp với giả thiết
ban đầu là T3 và T4 dẫn dòng.

9


c.Giản đồ điện áp mạch động lực
u

v1

0

ud (nét

u2

u2

v2

π

α

đậm)
v3

2π

α

α

iT1=i
T2

0

v1

Id

v2

π

2π

v3

ωt

v3

ωt

v3

ωt

iT3=i
T4

0

v1

v2

π

Id

2π

i1
0

v1

Id/
kba

π

ωt

v2

2π

uT1=uT
2

0

v1

π

v2

2π

d. Các biểu thức cơ bản

Ud = Udo Cosá ,Với Udo = 0,9U2
10

v3

ωt


Uthmax =Ungmax = 2 U2
IT = Id/ 2

CHƯƠNG 2.THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
* Ở chương trước chúng ta đã nghiên cứu sự hoạt động của sơ đồ mạch
động lực bộ biến đổi có điều khiển dùng các thyristor. Để các van của bộ chỉnh
lưu có thể mở tại các thời điểm mong muốn thì ngồi điều kiện hiện tại thời
điểm đó ta vẫn phải có điện áp thuận đặt lên A, K thì trên điện cực điều khiển
(tín hiệu điều khiển). Để có tín hiệu điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu mở
van đã nêu, người ta sử dụng một mạch điện tạo ra các tín hiệu đó được gọi là
mạch điều khiển hay hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu. Điện áp điều khiển của
các thyristor phải đáp ứng được các yêu cầu cần thiết về công suất, cũng như
thời gian tồn tại. Do đặc điểm của thyristor là khi van đã mở thì việc cịn tín hiệu
điều khiển hay khơng điều khiển ảnh hưởng đến dịng qua van, vì vậy để hạn
chế cơng suất của mạch phát tín hiệu người ta thường tạo ra các tín hiệu điều
khiển thyristor có dạng các xung, do đó mạch điều khiển còn được gọi là mạch
phát xung điều khiển.
* Các hệ thống phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu hiện đang sử dụng có thể
phân ra làm 2 nhóm:
+ Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ
+ Nhóm các hệ thống điều khiển khơng đồng bộ
Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ được sử dụng phổ biến nhất hiện

nay. Đây là nhóm các hệ thống điều khiển mà các xung điều khiển xuất hiện
trên điện cực điều khiển các thyristor đúng thời điểm cần mở van và lặp đi lặp
lại mang tính chất chu kỳ với chu kỳ thường bằng chu kỳ mạch xoay chiều cung
cấp cho sơ đồ chỉnh lưu.
* Các hệ thống điều khiển đồng bộ thường được sử dụng hiện nay bao
gồm:
+ Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha đứng
+ Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha ngang
+ Hệ thống điều khiển chỉnh lưu dùng điôt 2 cực gốc.
11


2.1. Phân tích, lựa chọn phương án điều khiển bộ biến đổi
1. Mạch điều khiển bộ chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha ngang
a. Nội dung phương pháp:
Để tạo xung điều khiển cho các van chỉnh lưu trước trên người ta tạo ra
các tín hiệu điều khiển hình sin có tần số bằng tần số xung điều khiển các
thyristor tức là bằng tần số nguồn cung cấp xoay chiều và có biên độ khơng đổi.
Có xung điều khiển các van sẽ được tạo ra tại các thời điểm bằng không và bắt
đầu chuyển sang dương của các điện áp điều khiển hình sin đã nêu. Việc thay
đổi giá trị góc điều khiển được thực hiện bằng cách thay đổi góc pha của các
điện áp điều khiển hình sin.
Như vậy đối với hệ thống điều khiển này thì việc trước tiên ta phải tạo ra
được bộ điện áp điều khiển hình sin với biên độ khơng đổi và góc pha điều
khiển được. Để thực hiện nhiệm vụ này, hiện nay người ta sử dụng các sơ đồ cầu
dịch pha dùng điện trở, tụ điện (cầu R – C) hoặc điện trở, điện cảm (cầu R – L).
Khi đã có dạng điện áp điều khiển hình sin như đã nêu thì việc tạo ra các xung
điều khiển cho các thyristor tại những thời điểm bằng không và bắt đầu chuyển
sang dương của các điện áp hình sin có thể thực hiện bằng nhiều sơ đồ khác
nhau, đơn giản nhất là dùng các điơt, ngồi ra có thể sử dụng mạch biến đổi

tương tự, số bằng vi mạch. Sau khi đã có các xung xuất hiện đúng thời điểm cần
thiết thì tuỳ thuộc vào dạng và cơng suất xung đã có và xung yêu cầu cần có mà
ta có thể sử dụng các mạch của xung và khuếch đại xung.
* Một hệ thống điều khiển theo pha ngang thường bao gồm 5 khối cơ bản
sau:
+ Khối 1: Khối đồng bộ hoá phát xung răng cưa (đồng bộ hố và phát sóng
răng cưa).
+ Khối 2: Khối dịch pha
+ Khối 3: Khối tạo xung
+ Khối 4: Khối khuếch đại xung
+ Khối 5: Khối điện áp điều khiển được đưa vào.
Khối đồng bộ hoá thường tạo ra điện áp hình sin có lệch pha cố định so với
điện áp tựa.
Khối dịch pha có nhiệm vụ thay đổi góc mở á của điện áp theo tác động
của điện áp điều khiển xung điều khiển được tạo ra ở khâu tạo xung vào thời
điểm khi điện áp dịch pha qua điểm không. Xung này nhờ khâu khuếch đại xung
tăng đủ công suất gửi tới cực điều khiển của van. Như vậy góc mở á hay thời
12


điểm phát xung mở của van thay đổi được là do sự tác động của điện áp điều
khiển làm cho điện áp dịch pha di chuyển theo chiều ngang của trục thời gian.
Vì vậy ta gọi phương pháp này là phương pháp khống chế theo pha ngang.
* Ưu nhược điểm của phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu theo nguyên
tắc khống chế pha ngang: phương pháp này có ưu điểm là hệ thống hoạt động ổn
định, thực hiện dễ dàng. song nhược điểm là phạm vi thay đổi góc mở á không
rộng, rất nhạy với sự thay đổi dạng của điện áp nguồn, khó tổng hợp nhiều tín
hiệu điều khiển nên rất ít được sử dụng.
b. Hệ thống điều khiển dùng điơt hai cực gốc (cịn gọi là tranzitor một
tiếp giáp UJT).

* Nội dung của phương pháp điều khiển điôt hai cực gốc
Phương pháp này tạo ra các xung nhờ việc so sánh giữa điện áp răng cưa
xuất hiện theo chu kỳ nguồn xoay chiều với việc điều chỉnh sự mở của điôt hai
cực gốc (tranzito một tiếp giáp UJT).
* Ưu nhược điểm của phương pháp:
Phương pháp này có ưu điểm là: Mạch tương đối đơn giản, xung ra đủ để
mở các thyristor có cơng suất nhỏ.
Nhược điểm của phương pháp này là: góc mở á có phạm vi điều chỉnh hẹp,
vì ngưỡng mở của tranzitor một tiếp giáp UJT phụ thuộc vào điện áp lưới mạch
thường đưa ra những xung điều khiển gây tổn thất phụ trong mạch điều khiển.
c. Hệ thống điều khiển theo nguyên tắc khống chế pha đứng.
* Sơ đồ khối hệ điều khiển theo pha đứng:
Khối 1
u1

ĐBH

khối 2 urc
FSRC

khối 3

khối 4

khối 5

SS

TX

PCK

°Uđk

- Khối 1: Khối đồng bộ hoá.
- Khối 2: Khối tạo ra điện áp tựa, tạo ra điện áp dưới dạng sóng răng cưa.
- Khối 3: Khối so sánh, so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển.
- Khối 4: Khối tạo xung
- Khối 5: Khối phân chia xung
+ u1 – là điện áp lưới(nguồn) xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu.
+ urc – là điện áp tựa thường có dạng hình răng cưa lấy từ đầu khối ĐBH –
FSRC.
13


+ uđk – là điện áp điều khiển, đây là điện áp một chiều được đưa từ ngoài và
để điều khiển giá trị góc á.
+ uđKt – là điện áp điều khiển thyristor, là chuỗi các xung điều khiển lấy từ
đầu ra hệ điều khiển( cũng là đầu ra khối tạo xung), và được truyền đến điện cực
điều khiển( G) và katot(K) của thyristor.
* Nguyên lý cơ bản của hệ điều khiển theo nguyên tắc khống chế pha đứng.
Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực bộ chỉnh lưu được đưa đến
mạch đồng bộ hoá của khối 1 và trên đầu ra của mạch đồng bộ ta có các điẹn áp
thường có dạng hình sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ
đồ chỉnh lưu và trùng pha hoặc lệch pha một góc pha xác định so với điện áp
nguồn. Điện áp này được gọi là điện áp đồng bộ và được ký hiệu là: uđb.
Các điện áp đồng bộ được đưa vào mạch phát điện áp răng cưa để khống
chế sự làm việc của mạch điện này kết quả là trên đầu ra mạch phát điện áp răng
cưa ta có một hệ thống các điện áp dạng hình răng cưa đồng bộ về tần số, về góc
pha các điện áp đồng bộ. Được gọi là điện áp răng cưa u rc. Các điện áp răng cưa

được đưa vào khối so sánh và ở đó cịn một tín hiệu khác nữa là điện aps điều
khiển, điều chỉnh được và người ta đưa từ ngồi vào, hai tín hiệu này đợc mắc
vào cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch vào khối so sánh là ngợc
chiều nhau. Khối so sánh làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này và tại những
thời điểm hai tín hiệu này có giá trị tuyệt đối bằng nhau thì đầu ra của khối so
sánh sẽ thay đổi trạng thái. Như vậy khối so sánh là một mạch điện hoạt động
theo nguyên tắc biến đổi tương tự – số. Do tín hiệu ra của mạch so sánh là dạng
tín hiệu số nên chỉ có hai giá trị có hoặc khơng. Tín hiệu trên đầu ra khối so sánh
là các xung xuất hiện với chu kỳ bằng chu kỳ của u rc. Nếu thời điểm bắt đầu của
một xung nằm trong vùng sườn xung nào của u rc thì sườn xung ấy của urc được
gọi là sườn sử dụng. Điều này có nghĩa rằng: tại thời điểm u rc = u dk ở phần
sườn sử dụng trong một chu kỳ của điện áp răng cưa thì trên đầu ra khối so sánh
sẽ bắt đầu xuất hiện một xung điện áp. Từ đó ta thấy: có thế thay đổi thời điểm
xuất hiện của xung đầu ra khối so sánh bằng cách thay đổi giá trị của u đk khi
giữa nguyên dạng urc. Trong một số trường hợp thì xung ra từ khối so sánh được
đưa đến điện cực điều khiển của thyristor, nhưng trong đa số các trường hợp thì
tín hiệu ra khối so sánh chưa đủ các u cầu cần thiết đối với tín hiệu điều khiển
thyristor. Để có tín hiệu đủ u cầu người ta thực hiện việc khuếch đại, thay đổi
lại hình dạng của xung...v v. Các nhiệm vụ này được thực hiện bởi một mạch
14


điện gọi là mạch tạo xung( TX), cuối cùng trên đầu ra khối tạo xung ta có chuỗi
xung điều khiển (uđkT), có đủ các thơng số u cầu về cơng suất, độ dài, độ dốc
mặt đầu của xung …v v. Nhưng thời điểm bắt đầu xuất hiện của các xung thì
hồn tồn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối so sánh. Vậy thời
điểm xuất hiện của tín hiệu điều khiển trên điện cực điều khiển và katot của
thyristor cũng chính là thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối so sánh, tức là khối
so sánh đóng vai trị xác định giá trị góc điều khiển á.
* Ưu nhược điểm của phương pháp:

Hệ thống này có nhược điểm là khá phức tạp song có những ưu điểm nổi
bật: Khoảng điều chỉnh góc mở á là rộng, ít phụ thuộc vào sự thay đổi của điện
áp nguồn, dễ tự động hoá. Mỗi chu kỳ điện áp anot của thyristor chỉ có một
xung đưa đến mở nên giảm tổn thất trong mạch điều khiển. Do đó phương pháp
này được sử dung rơng rãi.
* Tóm lại: Từ các phân tích trên ta thấy rằng phương pháp điều khiển chỉnh
lưu theo nguyên tắc khống chế pha đứng là ưu điểm hơn cả. Vì vậy ở đây ta
chọn phương pháp này để điều khiển chỉnh lưu. Để cấp xung điều khiển cho bộ
chỉnh lưu hình cầu một pha ta thiết mạch điều khiển gồm hai kênh tạo xung, hai
kênh tạo xung này giống hệt nhau chỉ khác nhau tín hiệu điện áp lưới
Sau đây ta thiết kế cho một kênh tạo xung, kênh còn lại tương tự.
2.2.Sơ đồ khối mạch tạo xung và thiết kế sơ đồ nguyên lý cho các khối.
Sơ đồ khối mạch tạo xung theo phương pháp khống chế pha đứng như ta đã
phân tích ở trên.
1. Khối đồng bộ hoá và phát xung răng cưa.
a. Mạch đồng bộ hoá.
Để tạo ra điện áp đồng bộ đảm bảo yêu cầu đặt ra, người ta thường sử dụng
hai kiểu mạch đơn giản là:
Mạch phân áp bằng các điện trở hoặc bằng điện trở kết hợp với điện dung
hay điện cảm.
Kiểu mạch đồng bộ này ít được sử dụng vì có sự liên hệ trực tiếp về điện
giữa mạch động lực và mạch điều khiển bộ chỉnh lưu.
•

°
u1

R1

°

°
R2

•

uđb
°

Mạch đồng bộ dùng máy biến áp:
15


°

BAD

°

* *

u1

uđb
°

°

Người ta sử dụng một máy biến áp có công suất nhỏ thường là biến áp
hạ áp để tạo ra điện áp đồng bộ. Điện áp lưới u1 được đặt vào cuộn sơ cấp còn

bên thứ cấp ta lấy ra điện áp đồng bộ u đb. Trong thực tế người ta chủ yếu sử
dụng mạch đồng bộ dùng máy biến áp cách ly về điện giữa mạch động lực và
mạch điều khiển.
Kiểu mạch này có ưu điểm: an tồn mạch điều khiển, phối hợp với biên
độ đầu ra dễ, tổn hao ít, số lượng uđb tuỳ ý.
Do các yêu cầu công nghệ em chọn kiểu mạch đồng bộ dùng máy biến áp.
b. Mạch phát sóng răng cưa.
- Mạch phát sóng răng cưa có thể dùng một số sơ đồ sau:
+ Sơ đồ dùng D – R – C và tranzitor
+ Sơ đồ dùng D – R – C và tranzitor nạp cho tụ bởi dịng khơng đổi.
+ Sơ đồ dùng vi mạch khuếch đại thuật toán.
Mạch D – R – C có nhược điểm là điện áp trên đầu ra khách nhiều so với
dạng đường điện áp răng cưa lý tưởng, và biên độ điện áp răng cưa thì lại có đặc
điểm là phụ thuộc nhiều vào biên độ điện áp đồng bộ nên ít dùng.
Mạch D – R – C nạp cho tụ bằng nguồn một chiều có ưu điểm hơn so
với sơ đồ mạch D – R – C. Song ngày nay nó ít được sử dụng vì chất lượng điện
áp ra kém, độ dài sườn xung sử dụng của điện áp răng cưa nhỏ hơn 180 0 điện.
Ưu điểm nổi trội là mạch D – IC – C (điôt - KĐTT – tụ). Sơ đồ này có
dung lượng điện áp ra hầu như khơng phụ thuộc vào tải mắc ở đầu ra mạch phát
sóng răng cưa, dung lượng tụ chỉ cần nhỏ( khoảng 220 nF) nên chọn tụ dễ dàng
và sườn để so sánh dạng tuyến tính nhất trong các sơ đồ đã nêu, độ dài sườn
trước đạt 180 0 điện. Mặt khác tụ phóng rất nhanh nên an toàn tranzitor và điện
áp rất gần với dạng răng cưa lý tưởng.
Sơ đồ gồm có máy biến áp đồng bộ hoá BAĐ để tạo ra điện áp đồng bộ
uđb. Phần mạch tạo điện áp răng cưa sử dụng điôt, tranzitor, các điện trở, tụ điện
16


và ở đây để tạo ra dòng nạp tụ ổn định ta ứng dụng tính chất đặc biệt của các bộ
khuếch đại thuật tốn vi điện tử.

•

°

+ucc

R1

°

D

0b

BAĐ

ic

•

°

*

Tr1

u1

uđb

•
C1

R2

*

°

uc

•

°

a

•

i1

•

iv-

uv

R3

iv+

WR

–
+

• °

IC

°

•

–°

urc

ucc

* Ngun lý làm việc:
Trong sơ đồ này ta sử dụng khuếch đại thuật toán IC ghép với tụ C tạo
thành một mạch tích phân, nguyên lý hoạt động của khâu này như sau: giả thiết
tranzitor khố thì tụ C được nạp điện bởi dòng đâu ra của IC, dòng nạp tụ được
xác định:
ic = -i1 + iv-.
Nếu IC lý tưởng thì điện trở vào của nó bằng vơ cùng, dẫn đến dịng vào i vvà iv+ bằng không, do vậy ic = -i1, mặt khác i1 = -ucc / (WR + R) = I = const.
Điều này có nghĩa là khi tranzitor khố thì tụ C được nạp bởi dịng khơng
đổi có giá trị I.
u

uđb
urc

0

đ

V1

t

urcmax
2đ

3đ

Vậy ta có: từ ω t = 0 thì uđb = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương,
đẫn đến D mở nên mạch phát gốc tranzitor bị đặt điện áp ngược. Tranzitor khoá,
tụ C được nạp điện bởi dịng khơng đổi. Điện áp trên tụ tăng dần theo qui luật
17


tuyến tính. Đến ω t = đ và bắt đầu chuyển sang âm. D khố, tranzitor mở nên tụ
C phóng điện nhanh qua tranzitor đến điện áp bằng không và giữ nguyên giá trị
bằng không và bắt đầu chuyển sang dương, D lại mở, tranzitor lại khoá, tụ C lại
được nạp như từ ω t = 0.
Với giả thiết IC là lý tưởng thì hệ số khuếch đại là vơ cùng lớn, vậy nếu
IC đang ở chế đố khuếch đại tuyến tính thì điện áp giữa hai đầu vào được xem là
bằng khơng(uv = 0). Từ sơ đồ ta có: urc = uc + uv = uc. Tức là điện áp răng cưa

đầu ra của sơ đồ bằng điện áp trên tụ C. Đồ thị điện áp răng cưa như trên hình
vẽ. Do điện áp răng cưa đầu ra của IC nên có nội trở rất nhỏ vì vậy dạng điện áp
ra hầu như không phụ thuộc vào tải mắc ở đầu ra mạch phát sóng răng cưa.
2. Khối so sánh.
Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện cùng chu kỳ với chu kỳ của điên
áp răng cưa và điều khiển được thời điểm xuất hiện của mỗi xung ta sử dụng các
mạch so sánh .Có nhiều mạch so sánh khác nhau nhưng phổ biến nhất hiện nay
là các sơ đồ dùng tranzitor và KĐTT bằng vi điện tử. Trong các sơ đồ so sánh
thường coa 2 tín hiệu vào là điện áp răng cưa lầy từ đầu ra mạch ĐBHFSRC(urc) và điện áp điều khiển một chiều (uđk).Hai điệ áp này được mắc sao
cho tác dụng của chúng đối với đầu vào mạch so sánh là ngược nhau.Có 2 cách
nối các điện áp này trên đầu vào mạch so sánh là:
+ Nối nối tiếp urc và uđk gọi là tổng hợp nối tiếp
+ Nối song song qua các điện trở tổng hợp gọi là tổng hợp song song.
Ta xét một số sơ đồ thường dùng sau:
Sơ đồ dùng Tranzitor tổng hợp nối tiếp(hình 1.9)

uc
R

ur
uđk

T
r

c

18

cc

urss


Mạch này cho kết quả chính xác nhưng nếu có nhiều tín hiệu đầu vào thì gặp
khó khăn khi đó ta phải tổng hợp về một tín hiệu rồi mới so sánh nên ít được sử
dụng.
Sơ đồ dùng Tranzitor tổng hợp song song (hình 1.10)
uc
cc

Rk

R1

T
r

R2

urss

Ur

uđk

c

Hình 1.10
Sơ đồ này có thể tổng hợp nhiều tín hiệu vào nhưng kết quả so sánh lại

kém chính xác vì vậy ta cũng khơng dùng.
* Sơ đồ dùng IC khuếch đại thuật toán tổng hợp nối tiếp (hình 1.11)
+ucc
ur
uđk

+

c

R
IC

ucc

D

Hình 1.11
+usong
* Sơ đồ dùng IC khuếch đại thuật toán tổng hợp
song.
cc
-

R4

R5

+

IC

ucc

=4

uđk

Ur
c

R3

19

urss


urss

Ta chọn sơ đồ dùng IC khuếch đại thuật toán tổng hợp song song để thiết kế
mạch vì nó có ưu điểm là cho kết quả chính xác, đầu ra thu được dạng xung điện
áp
Nguyên lý làm việc của mạch như sau:
+ Trong khoảng ùt = 0 đến t1thì urc

udk nên điện áp đặt vào IC là

uv= -uđk- urc<0,vì điện áp đưa tới đầu vào đảo nên u ra>0 do đó xung ra là xung
dương.

+ Trong khoảng ùt = t1 đến t2thì urc

udk nên điện áp đặt vào IC là uv= -uđk-

urc>0,vì điện áp đưa tới đầu vào đảo nên u ra<0 do đó xung ra là xung âm.
Q trình cứ lặp đi lặp lại như vậy ở đầu ra xuất hiện một dãy xung làm điện áp
tựa để thay đổi góc mở á.Q trình được biểu diễn bằng giản đồ điện áp như
hình vẽ.

u
Uđb
urcma

uđk

x

0

t1

0

t1

đ

t2

2đ

t2

3. Mạch sửa xung.
20

t3

3đ t4

t3

t4

ùt


Từ nguyên lý hoạt động của khâu so sánh ta thấy rằng khi giá trị của u đk
thay đổi để thay đổi góc á thì độ rộng xung ra thay đổi theo, khơng đảm bảo u
cầu cơng nghệ.Vì vậy ta sẽ đưa vào hệ thống điều khiển một mạch điện có tác
dụng đưa ra xung có độ dài khơng đổi mặc dù đầu vào thay đổi gọi là mạch sửa
xung. Các mạch sửa xung hoạt động theo nguyên tắc khi có các xung vào với độ
dài khác nhau mạch vẫn cho ra các xung có độ dài giống nhau theo yêu cầu và
giữ nguyên thời điểm bắt đầu xuất hiện của mỗi xung. Phụ thuộc vào từng
trường hợp cụ thể mà mạch chỉnh sửa xung có thể có kết cấu tương đối phức tạp
hoặc rất đơn giản, ví dụ có trường hợp mạch sửa xung chỉ là một mạch R – C
ghép giữa khâu so sánh và mạch khuếch đại xung. Sau đây ta xét sơ đồ sửa xung
+uc
lựa chọn cho hệ thống điều khiển.
c

R7
R6

uv

C2

R8

Tr2
D

ursx

Giản đồ mạch sửa xung
uRSS

t
0

t1`

t2

uc2

t
0

t1

t2

uSX

t
0

t1

t2
21


* Nguyên lý hoạt động.
Tại thời điểm ω t < t1 thì D2 khóa nên cực gốc Tr2 có thể là dương đặt
vào nhờ có R8 định thiên nên Tr2 mở bão hoà. Sụt áp trên Tr 2 rất nhỏ uTr2 ; 0
nên ura ; 0. Tụ C2 nạp theo đường từ +uV
R6
C2
Tr2
-uV. Tụ C2 nạp
đầy đến giá trị uc2 = uV.
Tại thời điểm ω t = t1 có xung âm xuất hiện ở đầu vào của khối này. Tụ
C2 phóng điện theo đường từ +C2
+uV
-uV
D2
-C2. Lúc này, cực gốc

của Tr2 bị đặt điện áp ngược nên có gía trị | uc 2| < 2| ucc| nên Tr2 khoá lại. Khi C2
phóng hết nhưng chưa đúng thời điểm mở, đầu vào có xung dương xuất hiện để
mở Tr2 nên ura = 0.
Tại thời điểm ω t = t2 đầu vào xuất hiện xung dương quá trình lặp lại như
ban đầu.
4. Mạch khuếch đại xung.
Để khuếch đại xung ta có thể dùng tranzitor hay thyristor. Các mạch
dùng thyristor thường đòi hỏi công suất xung đầu ra lớn.
Trong thực tế người ta dùng tranzitor để giảm sự phức tạp của tầng
khuếch đại, trong trường hợp người ta dùng 2 tranzitor mắc nối tiếp tương
đương với 1 tranzitor có hệ số khuếch đại dòng β = β 1+ β 2 ; β 1, β 2 là hệ số
khuếch đại của Tr3 và Tr4.

°
+
ucc

BAX

•

°G

**

D3
Tr3 •

•

D4
D5

W1

•

W2

•

uđkT
°K

°
uv
°

Tr4
•

Khi chưa có xung vào Tr3 va Tr4 chưa làm việc nên chưa có dịng chạy qua cuộn
sơ cấp BAX, nên khơng có xung. Điện áp điều khiển uđk trên đầu ra của cuộn thứ
cấp BAX.
22


Gỉa sử tại một thời điểm nào đó, trên đầu ra mạch sửa xung có tín hiệu
điều khiển dẫn đến có xung ra. Dẫn đến Tr 3 và Tr4 đều mở, giả thiết mở bão hoà
nên cuộn sơ cấp được đặt điện áp +u cc nên xuất hiện dòng điện chạy trong cuộn

sơ cấp của BAX, theo chiều +ucc
sơ cấp
Tr4
mát. Dịng này tăng dần và
có dấu như hình vẽ
cuộn thứ cấp BAX xuất hiện một xung có cực tính như
hình vẽ và xung ra qua D truyền đến cực điều khiển của T để mở T.
Đồ thị điện áp khi tbh txv
Đồ thi điện áp khi tbh < txv
uv
0

uv
t1

t1'
txv

t2

t2'

t
0

uđkT
0

t1

t2' t

t1' t2
txv

uđkT
t1

t1'
txr

t2

t2'

t
0

tbh

t1

t1'

t2

t2'

t

txr= tbh

* Nguyên lý hoạt động.
Nếu ta gọi thời gian tồn tại của một xung điện áp vào là t xv, thời gian tồn tại của
một xung điện áp ra là t xr, thời gian tính từ lúc đóng một nguồn điện áp một
chiều khơng đổi có giá trị bằng ucc cho đến lúc từ thông lõi thép máy biến áp
xung đạt giá trị bão hoà. Với giả thiết là khơng hạn chế về thời gian có nguồn
vào phía thứ cấp BAX vẫn mắc vào điện cực điều khiển thyristor là t bh. Với sơ
đồ khuếch đại này có thể xảy ra hai trường hợp khác nhau:
Trường hợp 1: Khi tbh txv
Từ khi t = 0 ữ t < t1 chưa có xung vào nên 2 Tr3 và Tr4 khố uđk= 0.
Tại t = t1 xuất hiện một xung điện áp vào dương nên Tr 3 và Tr4 đều mở(giả thiết
là mở bão hoà). Trên cuộn sơ cấp BAX đột nhột được đặt điện áp bằng u cc nên
xuất hiện dịng qua w1 của BAX tăng dần và có chiều đi từ phía có dấu (*) đến
khơng có dấu (*). Trên cuộn thứ cấp xuất hiện một xung điện áp có cực tính
dương ở phía dấu (*). Xung trên cuộn thứ cấp đặt thuận lên D 4 và truyền qua D4
đến điện cực điều khiển và katot của thyristor.
Đến t = t1 + txv thì mất xung vào, hai Tr3 và Tr4 đều khố lại dịng qua
cuộn sơ cấp giảm về bằng khơng, do sự giảm của dịng cuộn sơ cấp BAX, nên từ
thông trong lõi thép BAX biến thiên theo hướng ngược lại lúc Tr 3 và Tr4 mở dẫn
23


đến trong cuộn dây BAX xuất hiện xung điện áp với cực tính ngược lại. Xung
trên cuộn thứ cấp làm D4 khoá lại nên uđKt = 0.
Trên sơ đồ ta sử dụng D3 và D5 để bảo vệ cho các tranzitor và cuộn dây BAX
tránh được các xung điện áp rất lớn khi đột ngột mất xung điều khiển.
Trường hợp 2: tbh < txv.
Từ khi t = 0 ữ t < t 1 thì chưa có xung vào nên Tr3 và Tr4 đều khố nên
khơng có dịng chạy qua cuộn sơ cấp BAX dẫn đến chưa có xung điều khiển

thyristor nên uđkT = 0.
Tại t = t1 xuất hiện một xung vào dương nên Tr 3 và Tr4 đều mở (giả thiết
là mở bão hoà) dẫn đến trên cuộn sơ cấp BAX đột ngột đặt điện áp bằng u cc dẫn
u hiện dòng
uđbđiện chạy qua cuộn w1 tăng dần từ phía dấu (*) đến khơng có
đến xuất
urc
dấu (*) dẫn đến trên cuộn thứ
cấp xuất hiện một xung điện áp có chiều từ (*) về
urcm lên D4 nên D4 dẫn xung đến cực Gt và K
khơng có dầu (*), xung nayfg đặt thuận
v1
của thyristor.
0
đ
2đ
3đ
ax
Đến t = t1 + tbh thì mạch từ BAX bị bão hồ, từ thơng lõi thép BAX
khơng biến đổi nữa, xung điện áp cảm ứng trên các cuộn dây mất, xung ra mất,
uđKt = 0.
uđk,urc
Đến t = t1 + txvu thì mất xung vào nên Tr3 và Tr4 khố lại, dịng qua w1
rc
–
giảm về bằng khơng. do sự giảm dịng nay mà từ thơng lõi thép biến thiên
Uđkωttheo
hướng0ngược lại lúc
Các cuộn dây BAX xuất hiện các xung
điện

'
đ vmở.
v1 tranzitor
v2'
3đ
v
2đ
1
áp có cực tính ngược lại. Các xung
này cũng được loại 2bỏ nhờ D 3 và D5 . Như
vậy trong
urss trường hợp này thì độ dài xung ra bằng thời gian bão hoà của BAX:
txr = tbh.
t
0

v1

Giản vđồ' điện áp mạch điều khiển
v

2

1

v2'

uc2

0

v1

v2

v1'

usx
0

v1

uđkT
i

0

v1

24

ωt
V2'

v2

ωt

v2

ωt


2.3. Phân tích chọn tín hiệu phản hồi và thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch tổng
hợp khuếch đại.
Để điều chỉnh và ổn định điện áp đầu ra cho tải ta•cần phải thiết ké mạch
+
khuếch đại trung gian. Tín hiệu điều khiển được đưa tới khối so sánh. Tại đây
CK
tín hiệu này được so sánh với điện áp răng cưa và tạo xung điều khiển. Tín hiệu
đầu ra của mạch này được tổng hợp từ tín hiệu u cđ lấy
– từ nguồn tiêng có thể điều
chỉnh được giá trị ucđ (nhờ khâu phân áp). Với sơ đồ
mạch điều khiểnRnày
ta lựa
d
ă.u
chọn mạch vịng phản hồi âm điện áp. Với tín hiệud phản hồi âm điện áp (–ă.u d )
Ed
được lấy trên –điện trở phân áp ở đầu ra bộ chỉnh lưu.
R12
°
ucc
Ld
–
R10
+
+
u°cc
•

°
R13
u°cc
uđk
R11
•
•
°
Tr
25 R14 ucđ
–

+

IC3

–°