bài tập lớn điện tử công suất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM
Khoa Điện - Điện tử

TIỂU LUẬN
ĐIỆN TỬ CÔNG
SUẤT
Giảng viên hướng dẫn: Hồng Phú An
Nhóm SVTH:
1. Vũ Xn Trường
2.Vũ Văn Hiếu
3. Lê Trí Hạnh
4. Nguyễn Văn Tồn
5. Đỗ Huy Khánh
Lớp: DHDI5LTTB
Thái Bình, ngày 18 tháng 10 năm 2010

Lời nói đầu
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ
thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết bị
đện tử có công 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 nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công
nghiệp thì các ngành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu và tìm ra giải pháp
tối ưu nhất. Đặc biệt với chủ trương CNH- HĐH 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 đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an
toàn chính xác. Đó là nhiệm vụ của ngành điện tử công suất cần phải giải quyết.
Để giải quyết vấn đề này thì nước ta cần phải đội ngũ thiết kế đông đảo
và tài năng.Do đó bài tập lớn điện tử công suất là một bài kiểm tra khảo sát kiến

thức tổng hợp của mỗi sinh viên và là điều kiện cho sinh viên ngành Điện- Điện
tử tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất …do chưa có nhiều
kinh nghiệm thực tế lên khi làm bài tập lớn cần có sự hướng dẫn nhiệt tình của
giảng viên giúp chúng em hòan thành bài tiểu luận này .
Qua bài tiểu luận này giúp chúng em hiểu thêm rất nhiều kiến thức về bộ
môn này.
Chúng em xin cân thành cảm ơn!


Bài tiểu luận gồm 6 chương:
Chương 1: Mạch chỉnh lưu không điều khiển
Chương 2: Mạch chỉnh lưu có điều khiển
Chương 3: Biến đổi điện áp một chiều ( bộ băm điện áp”
HACHEUR” một chiều)
Chương 4: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều
Chương 5: Nghịch lưu
Chương 6: Biến tần

Chương 1: Mạch chỉnh lưu không điều khiển
u
2
u
d
Ru
1
D
1.1:CHỈNH LƯU NGUỒN 1 PHA
1.1.1Mạch chỉnh lưu bán kỳ
1.1.1.1.Tải R
- Ở bán kỳ dương : 0 < θ < π

D dẫn ( p/c thuận)
ud = u2
uD = 0
- Ở bán kỳ âm : π < θ < 2π
D tắt ( p/c nghịch)
ud = 0 id= 0
uD = u2
- Điện áp trung bình trên tải:
- Dòng trung bình qua tải:
- Điện áp ngược cực đại trên diod:
- Trị hiệu dụng của dòng chảy qua cuộn thứ cấp
MBA:
π
2
2U
U
d
=⇒
R
U
I
d
d
=
2maxN
U2U
−=
R
U
I

2
2
2
=⇒
R
u
i
d
d
=

R
u
2
u
d
u
1
D
E
U
m
θ
1
θ
2
u
d
θ
E

θ
u
2
2ππ
E
U
m
-U
m
0
0
π
2π
ωτ
θ
1
θ
2
1.1.1.2.Tải RE
- Ở bán kỳ dương : 0 < θ < π
* Khi 0 < θ < θ1 & θ2 < θ < π
u2 < E
D tắt ( p/c nghịch)
ud = E id= 0
uD = u2 - E
* Khi θ1 < θ < θ2
D dẫn ( p/c thuận)
ud = u2
uD = 0
- Ở bán kỳ âm : π < θ < 2π

D tắt ( p/c nghịch)
ud = E id = 0
uD = u2 – E
-Dòng trung bình qua tải:
-
Điện áp ngược cực đại trên diod:
-
Trị hiệu dụng của dòng chảy qua cuộn thứ cấp MBA:
R
Eu
i
d
d
−
=
)sin
cos
(
2
1
12
θ
τ
π
θ
TR
U
I
d
−=⇒

EUU
N
−−=
2max
2
∫
π
θ
π
=
2
0
2
22
di
2
1
I

R
u
21
u
d
u
1
D
1
u
22

D
2
θ
θ
u
d
u
2
π
2π
π
2π
0
U
m
U
m
-U
m
0
θ
u
N
π
2π
0
-U
m
-2U
m

1.1.2.Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ
1.1.2.1.Tải R
* Ở bán kỳ đầu : 0 < θ < π
u21>0 & u22 < 0
D1 dẫn ( p/c thuận)
D2 tắt ( p/c nghịch)
ud = u21
uD2 = u22 – u21
* Ở bán kỳ kế tiếp : π < θ < 2π
u21 < 0 & u22 > 0
D1 tắt ( p/c nghịch)
D2 dẫn ( p/c thuận)
ud = u22
uD1 = u21 – u22
- Điện áp trung bình trên tải:
- Dòng trung bình qua tải:
- Dòng trung bình qua mỗi diod:
- Điện áp ngược cực đại trên diod:
- Trị hiệu dụng của dòng chảy qua mỗi cuộn thứ cấp MBA:
π
2
22 U
U
d
=⇒
R
U
I
d
d

=
2
I
I
d
D
=
2maxN
U22U
−=
R
U
I
2
2
2
=⇒

θ
u
2
π
2π
U
m
-U
m
0
E
θ

u
d
π
2π
0
U
m
θ
1
θ
2
ωτ
O
’
E
* Ở bán kỳ đầu : 0 < θ < π
u21>0 & u22
< 0
- Khi u21<E
D1 & D2 tắt ( p/c nghịch)
ud = E
uD1 = u21 – E
uD2 = u22 – E
- Khi u21>E
D1 dẫn ( p/c thuận)
D2 tắt ( p/c nghịch)
ud = u21
uD2 = u22 – u21
*Ở bán kỳ kế tiếp : π < θ < 2π
u21 < 0 & u22 > 0

- Khi u22<E
D1 & D2 tắt ( p/c nghịch)
ud = E
uD1 = u21 – E
uD2 = u22 – E
- Khi u22>E
D1 tắt ( p/c nghịch)
D2 dẫn ( p/c thuận)
ud = u22
uD1 = u21 – u22
1.1.2.2.Tải RE
R
Eu
i
d
d
−
=
R
Eu
i
d
d
−
=

- Dòng trung bình qua tải:
- Dòng trung bình qua mỗi diod:
- Điện áp ngược cực đại trên diod:
- Trị hiệu dụng của dòng chảy qua mỗi cuộn dây thứ cấp MBA

)sin
T
cos
(
R
U22
I
T
2
R
E
cos
R
U22
I
sinU2E
T
2
d
R
EsinU2
1
I
d
R
EsinU2
2
1
I
1

12
d
1
2
d
12
12
12
2
d
2
0
2
d
2
1
θ
τ
−
π
θ
=
τ
−θ
π
=⇒
θ=
τ
π=ωτ=θ−θ
θ−π=θ

θ
−θ
π
=
θ
−θ
π
=
∫
∫
θ
θ
π
2
I
I
d
D
=
2maxN
U22U
−=
∫
π
θ
π
=
2
0
2

22
di
2
1
I

u
d
u
1
D
1
D
2
D
3
D
4
u
2
R
θ
θ
u
d
u
2
π
2π
π

2π
0
U
m
U
m
-U
m
0
θ
u
N
π
2π
0
-U
m
1.1.3.Mạch chỉnh lưu cầu
1.1.3.1.Tải R
- Giá trị trung bình và dòng trung bình chỉnh lưu cũng như trường
hợp chỉnh lưu hai nửa chu kỳ
- Dòng trung bình chảy qua tải:
- Trị trung bình của dòng chảy qua mỗi diod :
- Điện áp ngược cực trên mỗi diod:
- Trị hiệu dụng của dòng chảy qua cuộn thứ cấp MBA :
2d
0
2d
U
22

U
dsinU2
1
U
π
=
θθ
π
=
∫
π
R
U
I
d
d
=
2
I
I
dsin
R
U2
2
1
I
d
D
0
2

D
=
θθ
π
=
∫
π
2mmaxN
U2UU
−=−=
d2
0
2
2
2
2
0
2
2
II
dsin
1
R
U2
I
d
R
sinU2
1
I

=⇒
θθ
π
=
θ








θ
π
=
∫
∫
π
π

u
d
u
1
D
1
D
2
D

3
D
4
u
2
R
E
θ
1
θ
2
u
d
θ
E
θ
u
2
2ππ
E
U
m
-U
m
0
0
π
2π
ωτ
1.1.3.2.Tải RE

Nguyên lý họat động :
+ Ở bán kỳ đầu: 0 < θ < π
- Xét 0<θ<θ1 & θ2 < θ < π
u2 < E
Cả 4 diod đều phân cực ngược nên
⇒ ud = E
uD = u2 – E
- Xét đọan θ1 < θ < θ2; U2 > E nên
D1 & D3 dẫn , D2 & D4 tắt
⇒ ud = u2
uD = - u2
+ Ở bán kỳ âm : π < θ < 2π
- Xét π<θ<θ3 & θ4 < θ < 2π
- u2 < E
Cả 4 diod đều phân cực ngược nên
⇒ ud = E
uD = - u2 – E
- Xét đọan θ3 < θ < θ4 ; - U2 > E nên
D1 & D3 tắt, D2 & D4 dẫn
⇒ ud = - u2
uD = u2
R
Eu
i
2
d
−
=
R
Eu

i
2
d
−−
=

- Trị trung bình dòng điện chạy qua tải:
- Dòng trung bình qua mỗi diod:
-
Điện áp ngược cực đại trên mỗi diod:
-
Trị hiệu dụng của dòng chảy qua mỗi cuộn thứ cấp MBA:
- Mà i2 = id
Nếu dời gốc tọa độ từ O sang O’, ta có:
Mà θ2 = π – θ1
ωτ = π – 2θ1






θ
τ
−
π
θ
=⇒
θ
−θ

π
=⇒
θ
π
=
∫
∫
θ
θ
π
1
12
d
2
d
2
0
dd
sin
T
cos
R
U22
I
d
R
EsinU21
I
di
2

1
I
2
1
2
I
I
d
D
=
2mmaxN
U2UU
−=−=
∫
π
θ
π
=
2
0
2
22
di
2
1
I
θ
−
=
cos

R
EU2
i
2
2
∫
θ
θ
θ








θ
−
π
=⇒
2
1
dcos
R
EU2
2
1
I
2

2
2
TR
EU2
I
2
2
τ
−
=⇒

θ
1
θ
2
u
d
θ
E
θ
u
2
2ππ
E
U
m
-U
m
0
0

π
2π
ωτ
θ0
π
2π
i
d
θ0
π
2π
i
D
1.1.3.3.Tải RLE
Điện cảm L sinh sức điện động tự cảm mỗi khi có sự biến
thiên của dòng tải.
Nếu dời gốc tọa độ từ O đến O’,thì ta có: là một hàm
chẳn với chu kỳ là 2L ,trường hợp này , chỉ số đập mạch p =
2.
Khai triễn chuỗi Fourier của ud từ công thức tổng quát:
- Khi dùng điện cảm L nối với phần ứng động cơ điện ,điện áp đặt lên
phần ứng động cơ điện là điện áp hằng.
Ud = E + IdR
- Thành phần xoay chiều ua của điện áp ud được đặt lên cuộn cảm L:
-
Đối với trường hợp đang xét:
-
Dòng tải id được coi như dòng hằng Id
dt
di

Le
−=
θ=
cosU2u
2d
2
L
π
=
∑
∞
=
θ+=
1n
n
0
d
ncosa
2
a
u
dt
di
Lu
a
a
=
θ=θ
π
=

π
=
2cosA2cos
3
U24
u
U22
U
2
a
2
d

- Trị trung bình của dòng qua tải:
- Trị trung bình của dòng chảy qua mỗi diod :
- Trị hiệu dụng của dòng chảy trong cuộn thứ cấp máy biến áp:
R
EU
I
d
d
−
=
2
I
dI
2
1
I
d

0
dD
=θ
π
=
∫
π
( )
d
0
2
d2
IdI
2
1
I
=θ
π
=
∫
π

u
2a
u
2b
u
2c
R
E

D
1
D
2
D
3
u
d
u
d
θ
0
E
U
m
θ
0
i
d
2π
u
2a
u
2b
u
2c
θ
u
2
0

E
U
m
-U
m
1.2.Mach chỉnh lưu nguồn 3 pha
1.2.1.Mạch chỉnh lưu hình tia
1.2.1.1.TẢI RE
Trường hợp 0 < E < Um/2 nên dòng qua tải id liên tục
Điện áp trung bình trên tải Ud :
Do trong mạch chỉ có 1 trong 3 diod luân phiên dẫn,
khi điện áp ở anod pha nào dương nhất. Nên dạng
sóng điện áp ngõ ra trong một chu kỳ sẽ có 3 đọan
cong hình sin giống nhau. Do đó công thức tính điện
áp trung bình là:
3
π2
+θsinU2=u
3
π2
θsinU2=u
θsinU2=u
2c2
2b2
2a2
R
Eu
=i
d
d

∫
=
π2
0
2d
θdu
π2
1
U
π2
U63
U
θdθsinU2
π2
3
U
2
d
6
π5
6
π
2d
=
=
∫
R
EU
m
−

Dòng trung bình qua tải Id :
Dòng trung bình qua mỗi diod:
Điện áp ngược cực đại trên mỗi diod:
R
EU
I
d
d
−
=
3
I
I
d
D
=
2maxN
U6U
−=

θ
u
2a
u
2b
u
2c
θ
u

2
0
E
U
m
-U
m
θ
1
θ
2
u
d
0
E
U
m
θ
1
θ
2
0
’
ωτ
θ
i
d
0
θ
1

θ
2
0
’
Trường hợp Um/2<E<Um
Trường hợp nên dòng qua tải id gián đọan
Dòng trung bình qua tải:
Các diod trong mạch chỉ dẫn khi điện áp trên các cực anod lớn hơn
E và ngưng dẫn khi nhỏ hơn E. Nên dạng sóng dòng điện qua tải
trong một chu kỳ sẽ có 3 đọan cong hình sin giống nhau và không
liên tục. Do đó công thức tính dòng điện trung bình được viết lại là:
Dòng trung bình qua mỗi diod:
Trị hiệu dụng của dòng chảy qua mỗi cuộn thứ cấp máy biến áp:
m
m
UE
2
U
<<
R
Eu
i
d
d
−
=
∫
=
π2
0

dd
θdi
π2
1
I






−=
=
−
=
∫
1
12
d
12
θ
θ
2
d
θsin
T
τ
π
θcos
R

U23
I
θsinU2E
θd
R
EθsinU2
π2
3
I
2
1
3
I
I
d
D
=
∫
=
π2
0
2
d2
θdi
π2
1
I

i
d

θ
0
I
d
u
2a
u
2b
u
2c
θ
u
2
0
E
U
m
-U
m
θ
0
i
D1
2π
I
d
1.2.1.2.TẢI RLE
Biểu thức giải tích của điện áp tải ud:
Chuyển gốc tọa độ từ O sang O’
chu kỳ là Chỉ số đập mạch

p = 3 . Khai triễn chuỗi Fourier của ud
Với ; n = 0, 1, 2, 3, . . . .
Với n = 0 =>
Do đó
Với n = 1 =>
θcosU2u
2d
=
3
2
2
π
=L
L
πθn
cosa
L
πθ2
cosa
L
πθ
cosa
2
a
u
n21
o
d
++++=


( )
θd
L
πθn
cosθu
L
2
a
L
0
dn
∫
=
∫
==
3
π
0
2
2o
π
U63
θdθcosU2
π
6
a
d
2
0
U

π2
U63
2
a
==
π8
U63
a
θd
L
πθ
cosθcosU2
π
6
a
2
1
3
π
0
21
=
=
∫

Nếu dừng lại ở 2 số hạng đầu của chuỗi ta có:
Nếu dùng 1 điện cảm L nối tiếp vào mạch tải ,thì dòng tải sẽ xem như được nắn thẳng, id = Id
Phương trình mạch tải:
Thế ud bằng biểu thức giải tích và coi id = Id + ia
Ta có :

Sau khi cân bằng thành phần hằng và thành phần xoay chiều trong 2 vế của phương trình:Ud = E + RId
(*) vì
Phương trình (*) cho phép xác định trị số điện cảm L khi biết trị hiệu dụng của thành phần xoay chiều của
dòng điện tải.
Vậy có thể xem Ud sinh ra Id còn cuộn cảm L xóa đi thành phần xoay chiều của điện áp đặt lên tải .
ad
2
d
uU
4
θ3cos
1
π2
U63
u
+=






+≈
dt
di
L+Ri+E=u
d
dd
dt
di

LRiRIEθ3cos
π8
U63
U
a
dd
2
d
+++=+
θ3cos
π8
U63
=
dt
di
L
2
a
dt
di
LRi
a
a
<<
R
EU
I
d
d
−

=

- Trị trung bình của dòng điện chảy trong diod:
- Trị hiệu dụng của dòng chảy trong mỗi cuộn dây thứ cấp máy biến áp :
3
I
θdI
π2
1
I
d
6
π5
6
π
dD
==
∫
3
I
θdI
π2
1
I
d
6
π5
6
π
2

d2
==
∫

1.2.2.Mạch chỉnh lưu hình cầu
Trong sơ đồ này nếu ta chọn điện áp thứ cấp u2a làm góc
pha ,ta có :
Trong đó : θ = ωt
Để chỉnh lưu điện áp này người ta dùng hai nhóm diod :
nhóm diod catod chung gồm 3 diod D1 ,D2 ,D3 và
nhóm diod anod chung gồm 3 diod D4 ,D5 ,D6

)
3
2
sin(2
)
3
2
sin(2
sin2
22
22
22
π
θ
π
θ
θ
+=

−=
=
Uu
Uu
Uu
c
b
a

R
D
1
D
2
D
3
D
4
D
5
D
6
U
d
u
2a
u
2b
u
2c

θ
0
2π
U
d
U
2
U
m
-U
m
0
2π
θ
1.2.2.1.Tải R
Nguyên lý họat động:
Trong khoảng : u2a dương nhất và u2b âm nhất
nên hai diod D1 và D5 dẫn. Dòng điện đi từ u2a → D1→ tải R
→ D5 → u2b. Lúc này điện áp trên tải là: ud = u2a – u2b
Trong khoảng : u2a dương nhất và u2c âm nhất
nên hai diod D1 và D6 dẫn. Dòng điện đi từ u2a → D1→ tải R
→ D6 → u2c. Lúc này điện áp trên tải là: ud = u2a – u2c
Trong khoảng : u2b dương nhất và u2c âm nhất

nên hai diod D2 và D6 dẫn. Dòng điện đi từ u2b → D2→ tải R
→ D6 → u2c. Lúc này điện áp trên tải là: ud = u2b –
u2c
Trong khỏang : u2b dương nhất và u2a âm nhất
nên hai diod D2 và D4 dẫn. Dòng điện đi từ u2b → D2→ tải R
→ D4 → u2a. Lúc này điện áp trên tải là: ud = u2b –

u2a
26
π
≤θ≤
π
6
5
2
π
≤θ≤
π
6
7
6
5 π
≤θ≤
π
2
3
6
7 π
≤θ≤
π
m
U
2
3
m
U3

Trong khỏang : u2c dương nhất và u2a âm nhất nên
hai diod D3 và D4 dẫn. Dòng điện đi từ u2c → D3→ tải R → D4 → u2a. Lúc này
điện áp trên tải là: ud = u2c – u2a
Trong khỏang : u2c dương nhất và u2b âm nhất nên
hai diod D3 và D5 dẫn. Dòng điện đi từ u2c → D3→ tải R → D5 → u2b. Lúc này
điện áp trên tải là: ud = u2c – u2b

Như vậy trong một thời điểm chỉ có 2 trong 6 diod dẫn cho dòng qua tải.
- Trị trung bình điện áp trên tải :
- Trị trung bình của dòng qua tải:

- Trị trung bình của dòng qua mỗi diod:
- Điện áp ngược cực đại trên diod:
6
11
2
3
π
≤θ≤
π
6
2
6
11 π
+π≤θ≤
π
π
θ
π
π

2
2
0
63
2
1
U
U
duU
d
dd
=⇒
=
∫
R
U
I
d
d
=
3
I
I
d
D
=
2maxN
U6U
−=

R
D
1
D
2
D
3
D
4
D
5
D
6
U
d
u
2a
u
2b
u
2c
E
U
2
U
m
-U
m
0
2π

θ
θ
0
2π
U
d
0
’
1.2.2.2.Tải RE
Để có dòng tải id là dòng lien tục phải thoả mãn điều kiện ud > E
Để chỉnh lưu các điện áp này người ta dung hai nhóm diod :
Nhóm diod catod chung gồm D1, D2, D3 và nhóm diod anod
chung gồm D4, D5, D6 .
- Trị trung bình điện áp trên tải :
- Dòng chảy trong diod bằng dòng tải: iD = id
- Dòng chảy trong mỗi cuộn dây thứ cấp máy biến áp là dòng
xoay chiều
i2a = i1 – i4
i2b = i2 – i5
i2c = i3 – i6
- Trị trung bình của dòng qua tải:
- Trị trung bình của dòng chảy qua mỗi diod:
- Điện áp ngược cực đại trên diod:
R
Eu
i
d
d
−
=

π
θ
π
π
2
2
0
63
2
1
U
U
duU
d
dd
=⇒
=
∫
R
EU
I
d
d
−
=
3
d
D
I
I =

2maxN
U6U
−=

U
2
U
m
-U
m
0
2π
θ
θ
0
u
d
0
’
2L
1.2.2.3.Tải RLE
Các đại lượng đặc trưng với điều kiện ud > E
Trị trung bình của dòng điện chảy trong diod:
Trị hiệu dụng của dòng chảy trong mỗi cuộn dây thứ
cấp máy biến áp:
π
U63
U
2
d

=
R
EU
I
d
d
−
=
3
I
I
d
D
=
3
2
IθdI
π2
2
I
d
3
π2
0
2
d2
==
∫

1.3.CHỈNH LƯU VỚI TỤ LỌC

Ta xem lại mạch chỉnh lưu toàn sóng với biến thế có điểm giữa. Như kết qủa phần trên:
- Ðiện thế đỉnh ở 2 đầu RL là: Vdcm=Vm-0,7V
- Ðiện thế trung bình ở 2 đầu RL là: VDC=0,637Vdcm Nếu ta thay RL bằng 1 tụ điện có điện dung C. Trong thời
điểm từ t=0 đến t=T/4, tụ C sẽ nạp nhanh đến điện thế đỉnh Vdcm. Nếu dòng rỉ của tụ điện không đáng kể, tụ C
sẽ không phóng điện và điện thế 2 đầu tụ được giữ không đổi là Vdcm. Ðây là trường hợp lý tưởng. Thực tế,
điện thế trung bình thay đổi từ 0,637Vdcm đến Vdcm. Thực ra nguồn điện phải cung cấp cho tải, thí dụ RL mắc
song song với tụ C.