Thiết kế chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển theo nguyên lý “arccos” cấp nguồn cho phần ứng động cơ điện 1 chiều kích từ

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Đề Tài :
Thiết kế chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển theo nguyên lý “arccos” cấp
nguồn cho phần ứng động cơ điện 1 chiều kích từ vói các thơng số :
Uư đm = 110V
Iư đm = 12A
Nội Dung :
+
+
+
+
+
+

Tổng quan về Tiristor .
Tổng quan về chỉnh lưu cầu 1 pha
Các nguyên tắc điều khiển chỉnh lưu
Tính chọn mạch động lực , mạch lọc , mạch bảo vệ
Thiết kế mạch điều khiển
Bản vẽ A 3

Sinh viên thực hiện:

Giáo viên hướng dẫn:
PGS.TS ĐOÀN QUANG VINH

TRANG 1

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Phần 1 : TỔNG QUAN TIRISTOR
1. Cấu tạo: Tiristor là một thiết bị gồm có bốn lớp bán dẫn P1,N1,P2,N2 tạo
thành xen kẻ giữa các lớp này là các tiếp giáp J1,J2,J3.
P1 được nối với bản cực gọi là Anốt(+): A
N2 được nối với bản cực gọi là Katốt(-): K
P2 được nối với bản cực gọi là Gate: Cổng điều khiển (G)
2. Nguyên lí làm việc: Nếu ta đặt vào Anốt một điện áp
dương, Katốt nối vào cực âm của nguồn, thì J 1 và J3 được phân
cực thuận, J2 bị phân cực ngược. Gần như toàn bộ điện áp
nguồn đặt lên mặt ghép J2. Điện trường nội tại Ei của J2 có chiều
từ N1 sang P2.Điện trường ngoài tác động cùng chiều với Ei, nên
vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra,
khơng có dịng điện chảy qua Tiristor mặc dù nó bị đặt dưới
điện áp.
a. Mở Tiristor : Nếu cho một xung điện áp dương U g tác động vào cực
G(dương so với K), các điện tử từ N2 sang P2. Lúc này trong Tirsitor hình thành hai
dịng điện.
 Dịng điện điều khiển do một số ít điện tử sau khi đến P 2 chúng chảy
vào nguồn Ug, dòng điều khiển chảy theo mạch G - J3 - K - G
 Còn phần lớn điện tử chịu sức hút của điện trường tổng hợp của mặt
ghép J2 , lao vào vùng chuyển tiếp này, chúng được tăng tốc, động năng lớn lên, bẻ
gãy các liên kết nguyên tử, tạo nên những điện tử tự do mới. Số điện tử mới được
giải phóng này lại tham gia bắn phá các nguyên tử Si trong vùng chuyển tiếp. Kết
quả hình thành ngày càng nhiều điện tử chảy vào N 1, qua P1 và đến cực dương của
nguồn điện ngoài, gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt. Bắt đầu từ một điểm nào đó
ở xung quanh cực G rồi phát triển ra tồn bộ mặt ghép với tốc độ khoảng
1cm/100µs.
Điện trở thuận của tiristor khoảng 100kΩ.Khi cịn ở trạng thái khố, trở

thành 0,01kΩ khi tiristor mở cho dòng chảy qua.
Một trong những phương pháp mở Tiristor đơn giản được trình bày trên hình 1.

nếu Ig ≥ Igst thì
thường lấy:

Khi ấn vào K1,
Tiristor mở. Người ta
Ig = (1,1÷1,2)Igst.
TRANG 2


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT

Điện trở R1 được tính theo cơng thức:
E

R1 = (1,1 ÷ 1,2)I
gst
Trong đó Igst là giá trị dòng điện điều khiển ghi trong sổ tay tra cứu Tiristor.
R2= 100÷1000Ω. Khi Tristor đang khóa mà đặt Tiristor dưới điện áp
UAK> 0, Tiristor ở tình trạng sẵn sàng mở cho dịng chảy qua, nhưng nó cịn đợi
lệnh- tín hiệu Ig ở cực điều khiển.
Điều kiện mở :

+ UAK > 1V
+ Ig ≥ Igst

Thời gian mở (ton) là thời gian cần thiết để thiết lập dịng điện chính chảy
trong Tiristor, tính từ thơi điểm phóng dịng I g vào cực điều khiển. Thời gian

Tiristor mở kéo dài khoảng 10µs.
b. Khố Tiristor: Một khi đã mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển I g
khơng cịn cần thiết nữa. Để khố Tiristor có hai cách:
 Giảm dịng điện làm việc xuống dưới giá trị dịng duy trì IH hoặc là:
 Đặt một điện áp ngược lên Tiristor
Khi đặt một điện áp ngược lên Tiristor UAK, hai mặt ghép J1 và J3 bị phân
cực ngược, J2 bây giờ được phân cực thuận. Những điện tử trước thời điểm đảo cực
tính UAK, đang ở tại P1, N1, P2 bây giờ đổi chiêu di chuyển, tạo nên dòng điện
ngược chảy từ catốt về anốt; về cực âm của nguồn điện ngồi.
A

P1

E

N1

P2
G

N2

K

i

Ing
to

t1

t2

t

Từ to đến t1 : dịng điện
ngược khá lớn, sau đó J1 và J3 trở nên cách điện. Cịn lại một ít điện tử bị giữ lại
giữa hai mặt ghép J1 và J3, hiện tượng khuếch tán sẽ làm chúng ít dần đi cho đến
hết và J2 khôi phục lại tính chất của mặt ghép điều khiển.
Thời gian khố(toff) tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược t 0 cho đến
khi dòng điện ngược bằng 0(t2). Đây là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu đặt
điện áp thuận lên tiristor, tiristor cũng không mở, toff kéo dài khoảng vài chục µs.
Trong bất kỳ trường hợp nào cũng không được đặt Tiristor dưới điện áp thuận khi
Tiristor chưa bị khố, nếu khơng có thể gây ra ngắn mạch nguồn.
Ta có cơng thức: Tiristor mở + UAK < 0 → Tiristor khoá.
TRANG 3


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT

E
E

Rt

R1
R1
A

C

T1

K1
G1

Hinh 2.a

R2

uc

B

C

T2
G2

Hinh 2.b

Trên hình 2a, việc khoá Tiristor bằng điện áp ngược được thực hiện bằng
cách ấn vào nút ấn K1. Trên hình 2b cho phép khố Tiristor một cách tự động. Trên
hình 2a, khi Tiristor mở thì có dịng chảy từ : +E → Rt→ T t→ -E đồng thời có
dịng chảy từ :+E qua R1 qua tụ C chảy qua T về âm E.Tụ Cđược nạp điện đến giá
trị E. Lúc đó cực tính của tụ C như hình vẻ. Muốn khố Tiristor, chỉ cần ấn nút K 1
thì áp dương của tụ C sẽ đặt lên Catốt của Tiristor → khoá Tiristỏ.
Trên hình 2b, giả thiết cho một xung điện áp dương đặt vào G 1, Tiristor T1
mở, xuất hiện hai dòng điện: dòng điện thứ nhất theo mạch: +E - R 1 - T1 - E, dòng
điện thứ hai chảy theo mạch:+E - R 2 - C -T1 - E. Tụ C được nạp điện đến giá trị

E,bản cực dương ở B, bản cực âm ở A.
Bây giờ nếu cho một xung điện áp dương tác động vào G 2 tiristor T2 mở, nó
đặt điện thế điểm B vào cực catốt của T 1. Như vậy T1 bị đặt dưới điện áp UC= -E và
T1 bị khoá lại
T2 mở lại xuất hiện hai
i
dòng điện: dòng thứ nhất chảy
theo mạch: +E →R2→T2→-E,
dòng điện thứ hai chảy theo
3
mạch: + E →R1 →C→T2→-E.
2
I
Tụ C được nạp điện ngược lại
u
u
1
H

z

TRANG 4

4

uch


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

đến giá trị E, bản cực dương ở A, bản cực âm ỏ B, chuẩn bị để khoá T2 khi ta cho
xung mở T1.
3. Đặc tính Von-ampe của Tiristor: đặc tính von-ampe của Tiristor gồm 4
đoạn:
Đoạn 1 ứng với trạng thái khoá của Tiristor, chỉ có dịng điện rị chảy qua
Tiristor. Khi tăng U đến Uch (điện áp chuyển trạng thái), bắt đầu quá trình tăng
nhanh chóng của dịng điện, Tiristor chuyển sang trang thái mở.
Đoạn 2 ứng với giai đoạn phân cực thuận của J 2. Trong giai đoạn này mỗi
một lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt trên
Tiristor. Đoạn hai còn gọi là đoạn điện trở âm.
Đoạn 3 ứng với trạng thái mở của Tiristor. Khi này cả ba mặt ghép đã dẫn
điện. Dòng điện chảy qua Tiristor chỉ còn bị hạn chế bởi điện trở mạch ngoài. Điện
áp rơi trên tiristro rất nhỏ, khoảng 1V. tiristor được giữ ở trạng thái mở chừng nào i
cịn lớn hơn dịng duy trì IH.
Đoạn 4 ứng với trạng thái Tiristor bị đặt dưới điện áp ngược rất nhỏ, khoảng
vài chục mA. Nếu tăng U đến U z thì dịng điện ngược tăng lên mãnh liệt, mặt ghép
bị đánh thủng, tiristor bị hỏng.
U
4. Những điều cần lưu ý :
a. Tốc độ tăng trưởng điện áp

du
:
dt

T1

ic
CT
T2

Hình 3

Nếu điện áp đặt lên Tiristor tăng với tốc độ lớn(khoảng vài chục vơn trong một
µs) thì tiristor cũng có thể chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái mở mặc dù I g =
0.Điều đó được giải thích như sau: có thể mô phỏng một tiristor bằng một cặp
transistor: Transistor 1 có cấu trúc p-n-p cịn Transistor 2 có cấu trúc n-p-n
Khi Tiristor bị đặt dưới điện áp thuận U AK = U, J2 bị phân cực ngược. Thực
tế nó trở thành vùng cách điện. Người ta có thể xem J 2 như một tụ điện CT. Bây giờ
ta có sơ đồ tương đương như hình 3. Vì J1 và J3 bị phân cực thuận nên gần như toàn
bộ điện áp nguồn được đặt lên J2, tức là đặt trên hai bản cực của C T, do đó có thể
viết:
ic = C T ⋅

du
dt

Dòng ic tỉ lệ thuận với độ tăng trưởng của U. Dòng i c cũng là dòng bazơ của
Transistor 2, giữ vai trò như dòng điều khiển I g. Như vậy Tiristor mở cho dịng
chảy qua ngồi mong muốn.
TRANG 5


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Một mạch RC mắc song song với Tiristor có thể tránh được hiện tượng mở
khơng mong muốn nói trên. Những tiristor sản xuất gần đây nhất có khả năng chịu
được

du

cao, khoảng 2000V/µs, cho phép loại bỏ mạch bảo vệ RC.
dt

b. Tốc độ tăng trưởng dòng điện:
Khi cho xung mở Tiristor, khơng phải tồn diện tích mặt
ghép J2 dẫn điện đồng thời. Ban đầu, chỉ những điểm lân cận cực G
dẫn điện rồi lan dần ra với tốc độ truyền lan khoảng
1cm/100µs.Xuất hiện những vùng có mật độ lớn về dòng điện.
Nếu di/dt lớn hơn tốc độ truyền lan của dịng điện trong mặt ghép
J2 thì có thể gây nên những vi vùng nóng chảy, mặt ghép J2 bị
hỏng. Người ta có thể giảm nhỏ di/dt bằng cách đặt một điện
kháng bão hoà trong mạch anốt của tiristor. Những tiristor sản xuất
ngày nay cho phép di/dt khoảng 1000A/µs.

Phần 2 : CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA
Xét Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha tải R,L,Eư

a.Sơ đồ và nguyên lí làm việc:
u
= 2 Usinθ
Trong nữa chu kỳ đầu : 0 ≤ θ1 ≤ π, u > 0 cực dương tại A, cực âm tại B. Hai
tiristor T1 và T3 đang ở trạng thái sẵn sàng dẫn điện vì chưa có xung kích khởi đưa
vào cực điều khiển.
Tại thời điểm θ1 = α1( 0 ≤ θ1 ≤ π) ta đưa xung kích đi vào T1 và T3 làm cho
T1, T3 mở lúc này trong mạch tải có dịng điện i d qua tải qua T3 trở về nguồn, lúc
này Ud = U.
Tại thơi điểm θ = π thì U = 0, nhưng hai tiristor T 1, T3 vẫn mở vì tải là phần
ứng của động cơ điện một chiều nên coi như có cuộn cảm mắc nối tiếp với tải.
Trong qúa trình T1 T3 mở thì cuộn cảm L tích luỹ năng lượng e= - L

TRANG 6

di
nên khi u <
dt


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT

0 thì T1,T3 vẫn cịn dẫn điện qua tải đó là ứng với lúc cuộn cảm bắt đầu hoàn trả
năng lượng về nguồn.
Trong nữa chu kỳ sau: π ≤ θ 2 ≤ 2π, tính cực dương tại B, âm tại A.Hai
tiristor T2 và T4 cúng đang ở trạng thái chờ mở cho dòng chảy qua.
Tại thời điểm: θ 2 = : π+ θ1 = π+α(α góc điều khiển) ta đưa xung kích khởi
vào mở T2 và T4 → T2 và T4 mở còn T1, T3 ngắt.
Vì vậy trong mạch xảy ra quá trình trên và lặp lại liên tục.Vì có điện cảm L
trong mạch tải nên thực tế là dòng liên tục id = Id.
Khi T1,T3 mở ta có:
2 ⋅ U sin θ = R ⋅ i d + E + L
↔ 2U sin θ = Ri d + E + X
↔

di âi
dt

di
dt

ID

1 π+ α
R π+α
E π+ α
X
2U sin θ =
i d + ∫ dθ + ∫ di âi
∫
∫ π
π α
π α
πI
α
ÂI

↔ U di = R ⋅ I d + E

Trong đó: Udi = Udiocosα; Udio =

2U m
; U m = 2U
π

2 2U
cos α
π
U −E
→ I d = di
; Id là dòng chỉnh lưu(dòng trong mạch tải)
R

Nên Udi =

. Dạng sóng điện áp chỉnh lưu:

TRANG 7


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ud

ud

0

id

π

2π

θ

0

π

0

θ

iT1,3

θ

0

iT1,3

Id

Id

θ

0

Id
0

θ

id

Id

iT2,4

2π

iT2,4

θ

θ

0

Id
Id
0

θ

i2

b. Hiện tượng trùng dẫn:
đã
trên, chúng ta chỉ đề
θ Nhưđến trình bày ởhoạt động của các bộ
0
cập
nguyên lí
biến đổi trong trường hợp lí tưởng, tức là không
xét
đến ảnh hưởng của điện kháng Lk của nguồn điện xoay chiều. Khi xét đến
cuộn kháng Lk của nguồn thì trong mạch sẽ khơng xảy ra hiện tượng
chuyển mạch tức thời. Hiện tượng trùng dẫn là hiện tượng cả 4 tiristor đều dẫn.
Giả sử tại thời điểm θ1, T1,T3 mở cho dòng chảy qua, iT1,3 = Id;
Khi θ = θ 2 cho xung điều khiển mở T2,T4. vì sự có mặt của Lk nên dịng iT1,3

khơng thể giảm đột ngột từ I d về 0, mà dòng iT2,4 cũng không thể tăng đột ngột từ 0
TRANG 8


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

đến Id. Lúc này cả bốn tiristor đều mở (cùng dẫn)→ phụ tải bị ngắn mạch, Ud=0,
nguồn cũng bị ngắn mạch sinh ra dòng điện ngắn mạch(ik).
2 U sin θ = X k

Ta có phương trình:

di k
dθ

Nếu chuyển gốc toạ độ từ 0 sang θ 2 , ta có:
2 U sin ( θ + α ) = X k

di k
dθ

→ i k = I km [ cos α − cos( θ + α ) ] =
I km =

U km
ωL k

2U
[ cos α − cos( θ + α ) ]
Xk

Đặt i k = i k1 + i k 2 , với i k1 = i k 2 =

ik
2

ik1 làm tăng dòng trong T4, làm giảm dòng trong T3;
ik2 làm tăng dòng trong T2, làm giảm dòng trong T1;
i k 2, 4 =

2U
[ cos α − cos( θ + α ) ]
2X k

i k1, 3 = I d −

2U
[ cos α − cos( θ + α ) ]
2X k

Kết thúc giai đoạn trùng dẫn tức là khi θ = µ ; iT1,3= 0 nên phương trình
chuyển mạch có dạng:
cos α − cos( µ + α ) =

Xác định ∆U µ :

2X k I d
2U

( *)

2U 2
1µ
[ cos α − cos( θ + α ) ]( * *)
∆U µ = ∫ 2U sin ( θ + α ) ⋅ dθ =
π0
π
2X k I d
Từ (*) và (**) ta có: ∆U ϖ =
π
2 2U
Ud =
cos α
Với
π
2X ⋅ I
Khi Lk ≠ 0 trị trung bình điện áp tải là : U d ' = U d − k d
π

id

LK

V1

iK2

V2

L

u

TRANG 9

E
V4

iK1

V3
R


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT

d

0

θ1

π

θ2

θ3

2π

θ

α

id
iv1
0

iv2

Id

θ
µ

α

Phần 3 : CÁC NGUN TẮC ĐIỀU KHIỂN
Để điều chỉnh pha xung điều khiển có 3 nguyên tắc :
+Dịch chuyển theo chiều ngang
+Dịch chuyển theo chiều đứng tuyến tính
+Dịch chuyển theo chiều đứng phi tuyến(ARCCOS)
Với bộ chỉnh lưu 1 pha 2 nữa chu kì này ta thực hiện theo nguyên tắc điều
khiển dịch chuyển theo chiều đứng arccos
Sơ đồ khối gồm:
Unguồn

TRANG 10

Đồng pha

So sánh

KĐ xung
Uđk


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Chức năng các khối:
- Đồng pha :tạo ra điên áp đồng pha với điên áp trên Thyristor
- So sánh : tạo ra thời điểm phát xung điều khiển khi có sự cân bằng giữa điên
áp vào và điên áp điều khiển một chiều
-KĐ xung :có nhiệm vụ chỉnh hình xung ,khuyếch đại xung đủ biên độ và độ
rộng để mở Thyristor cầu điều khiển
Theo nguyên tắc này ta có 2 điên áp :
- Điên áp đồng bộ ur vượt trước uAK một góc π/2(nếu uAK =Asin θ thì ur=Acosθ)
- Điên áp điều khiển uc là điên áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ theo
2 hướng (dương và âm )
ur
uc

ur
θ

0

uc

α

Hình IX.28

(ur+uc)

Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng « Arccos »
Trên hình vẽ ,đường nét đứt là điên áp anôt –catôt Thyristor .Từ điên áp này
người ta tạo ra ur .
Tổng đại số ur+uc được đưa đến đầu vào của khâu so sánh
Khi ur+uc =0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sách
uc +Bcosα =0
Do đó α=arccos(-uc/B)
Người ta lấy:B=Uc.max
Khi uc=0 htì α=π/2
Khi uc=Uc.maxthì α=π
Khi uc=-Uc.max thì α=0
TRANG 11


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Như vậy khi cho uc biến thiên từ - Uc.max đến Uc.max
π.

thì α biến thiên từ 0 đến

* Trong sơ đồ chỉnh lưu này ta chọn sơ đồ điều chỉnh một kênh kiểu ARCCOS.
Trong sơ đồ có sử dụng một khâu tíchnphân OA1 và một khâu so sánh OA2
Tín hiệu đầu vào của OA1 là:
u1=Umsinθ

Tín hiệu ra của OA1 la:
u2= −

Um
1 Um
∫ R sin θdt = ωCR cosθ
C

Các điện áp u2và uc (điện áp điều khiển )là hai đại lượng vào của khâu so sánh
OA2.
Chọn Uc.max=

Um
= 10 V.
ωCR

Khi uc=u2 ta có :

U

c
cos α = U
c . max

ở đầu ra của khâu so sánh ta nhận được chuổi xung hình chữ nhật .
α.

Nhờ mạch R,C và D ta có nhữnh xung dương điều khiển ,chậm sau v(t) một góc

TRANG 12

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Hoạt động của sơ đồ :
Điện áp xoay chiều được cấp cho bộ điều khiển thông qua máy biến áp.MBA
biến điện áp xuống u1 khoảng 18 đến 20V và điện áp này được chỉnh lưu hai
nửa chu kỳ bởi các đi ốt D1,D2,D3.Các ổn áp vi mạch 7812, 7912 tạo ra điện áp
+12V, -12V để cung cấp cho khuyếch đại thuật toán OA1,OA2.Các tụ điện C1
đến C4 làm nhiệm vụ lọc điên áp.
Các phần tử OA1,C5và các điệ trở R1 đển R4 tao nên bộ tạo điện áp đồng
pha, điện áp u1 qua bộ đồng pha tạo ra u2 ,u2 lệch pha so với u1 một góc

π
2

Điện áp u2 (cịn gọi là điện ap tựa ur) được đưa vào bộ so sánh OA2 để so
sánh với điện áp điều khiển uc .Tại những thời điểm mà u2+uc=0 thì điện áp ra
của khâu so sánh thay đổi trạng thái (+12V hoăc –12V) do vậy điện áp ra u3 của
bộ so sánh có dạng xung “sin chữ nhật”.
Tụ điện C6 và điện trở R7 tạo nên khâu tích phân biến điện áp dạng xung
vng u3 thành điện áp xung nhọn u4.
Điện áp u4 dùng để kính mở Tranzitor .khi Tranzitior mở ,dòng điện chạy
qua cuộn sơ cấp của máy biến áp xung (2 cuộn sơ cấp) , sinh ra dòng và áp bên
cuộn sơ cấp để đưa vào kích khởi Thiristor .
TRANG 13


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Các điốt D5,D6 dùng để hoan trả giải phóng năng lượng phản kháng.D4 tránh
cho xung âm đặt lên Tranzitor.D7 không cho xung âm đặt lên hai cực GK của
Thiristor.

Phần 4 :TÍNH TỐN MẠCH ĐỘNG LỰC
Tính chọn mạch động lực với sơ đồ và thông số sau:
Điện áp động cơ:
Uư=110VDC
u1
Dòng điện
Iư=12A
Hệ số dự trữ điện áp:Ku=1.6
T
u2
Hệ số dự trữ dịng điện :K=1.2
1
T
3

N

L

B

T
2
A T
4

ud

R

E

id

M

I. TÍNH CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI :
1. XÁC ĐINH ĐIỆN ÁP CHỈNH LƯU KHÔNG TẢI VÀ ĐIỆN ÁP RA
CỦA MBA:
a. Điện áp chỉnh lưu khơng tải:
Bộ biến đổi chỉnh lưu Thyristor cần có giá trị điện áp không tải đảm bảo cấp
cho phần ứng của động cơ điện một chiều .
Điện áp chỉnh lưu khơng tải được tính như sau:
Ud=[Cu* Ud+4%Udmax+1.5% Udmax+ UdFmax]/b(3)
Trong đó:
b= 0.95:hệ số dao động
Cu =1.06 :là hệ số dự trữ sụt áp.
Udmax:điện áp chỉnh lưu cực đại . Udmax=Uưđm=110V
4% Udmax:tổn thất điện trở của động cơ gây ra
1.5% Udmax: tổn thất điện cảm của động cơ gây ra
UdFmax=2:Điện áp sụt trên 2 Thyristor :
Thế các số vào (3) ta được :
Ud=(1.06*110+0.04*110+0.015*110+2)/0.95=131V.
Vậy điện áp chỉnh lưu không tải :Ud=131V
b. Giá trị hiệu dụng của điện áp pha thứ cấp MBA:
TRANG 14

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT

Ta có :
Ud=

2
U 2 m cos α . ,với α=0
π
π d
U

Suy ra: U2= 2

2

=

3.14 *131
=145.4V
2 2

c. Tỷ số MBA:
U

145.4

2
m= U = 220 = 0.66

1
d. Điện áp ngược lớn nhất mỗi Thyristor phải chịu :

U im = 2U 2 = 2 *145.4 = 205.6 KV

2. XÁC ĐỊNH DÒNG ĐIỆN CHỈNH LƯU ,DÒNG ĐIỆN MỖI PHA CỦA
MBA
a. Dịng điện chỉnh lưu :
Dịng điện chỉnh lưu cũng nchính là dòng điện chảy trong phần ứng của động
cơ nên
Id=Iư=12A
b. Giá trị trung bình của dịng điện chảy trong mỗi Thyristor :
Io=Id/2=12/2=6A
c. Giá trị hiệu dụng của dòng điện chảy trong pha thứ cấp MBA:
I2=Id=12A
d. Giá trị hiệu dụng của dòng điện chảy trong pha sơ cấp MBA:
I1=mI2=0.66*12=7.92A
3. CHỌN THYRISTOR :
Ta có:
Hệ số dự trử điện áp:Ku=1.6
Hệ số dự trử dòng điện :K=1.2
Chon Thyristor chịu được:
- Điện áp ngược lớn nhất:Ung=Ku*Uim=1.6*205.6=329V
- Dịng điện trung bình: Itb=K*Io=1.2*6=7.2A
Theo bảng phụ lục trang 32 ĐTCS-Nguyễn Bính ta chọn Thyristor T.25 do
Liên Xơ (cũ) chế tạo có các thơng số kỷ thuật sau:
Itb
(A)
25

Uim
(KV)
0.04 - 1

∆U
(V)
1

toff
(µs)
70-250

ig
(A)
0.3

4.TÍNH CHỌN MBA
a: Mạch từ
- Cơng suất biểu kiến MBA:
S1= U1*I1=220*7.92=1742.4(W)
S2= U2*I2=145.4*12= 1744.8(W)
S=(S1+S2)/2=1743.6(W).
MBA 1 pha ,ta chọn mạch từ 1 trụ ,C=2 trụ,f=50Hz.
- Tiết diện tính tóan theo cơng thức kinh ngiệm :
TRANG 15

Ug
(V)
5

di/dt
(A/µs)
10-70

du/dt
(V/µs)
20-500


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT

S
Cf

Q= k*

MBA khơ nên chọn k=6 .
Suy ra

:

Q=6

1743.6
= 25.05 ( cm2)
2 * 50

Với công suất S=1743.6 W. Theo trang 693 ĐTCS-LVD và tần số 50Hz , bề
dày 0.35 mm.Ta chọn MBA có các thơng số sau :

a
(mm)

h
(mm)

c
(mm)

C
(mm)

H
(mm)

B
(mm)

40

100

40

160

140

50

C

H

h

c

a

c

a12

Tiết diện trụ

* Trụ :
Tiết diện thô = c*B=4*5=20cm2
Tiết diện hiệu quả:=0.95*20=19cm2
Trọng lượng trụ :=7.5*0.19*2*1=2.85Kg
* Quylat:
Tiết diện thô:=a*B=4*5=20 cm2
Tiết diện hiệu quả:=0.95*20=19cm2
Trọng lượng Quylat:=7.5*0.19*1.6*1=2.28Kg
* Từ cảm
Trong các trụ chọn:Bm=1.1T
TRANG 16

B

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

19
Trong các Quylat chọn:B’m=1.1* 19 =1.1T

b. Dây quấn :
Số vòng dây mỗi fa:
U

220
= 360 vòng
4.44 * 50 * 25.05 * 1.1 * 10 − 4
145.4
=
= 238 vòng
4.44 * 50 * 25.05 * 1.1 * 10 − 4

1
Sơ cấp : n1= 4.44 fQB =
m

U2
Thứ cấp: n2= 4.44 fQB
m

Chọn mật độ dịng điện J1=J2=2.5A/mm2
Đường kính phiá dây quân sơ cấp:
d1=

4S1
4I 1
4 * 7.92
=
=
= 2mm
π
π * J1
3.14 * 2.5

Đường kính phái dây quân thứ cấp:
d2=

4S 2
4I 2
4 * 12
=
=
= 2.47 mm
π
π * J2
3.14 * 2.5

*Chọn dây quấn:
Theo bảng Phụ lục 8 trang 695 ĐTCS- LVD : “Thông số dây dẫn tiết diện
tròn”:
.d1=2mm
S=3.205mm2
mcu=28.5g/m , R/m=0.00547Ω/m ,
d1n=2.12 mm

.d2=2.47mm S=4.676mm2
mcu=41.6g/m , R/m=0.00375Ω/m ,
d2n=2.54 mm
*Ống dây quấn:
Bán kính ống dây quấn:
rt=

c2 + B2
40 2 + 50 2
=
= 32mm
4
4

Vậy ta lồng vào trụ một ống làm bằng vật liệu cách điện dày 1mm có bán kính
trong 32mm .Suy ra bán kính trong của dây quấn sơ cấp là:33mm.
*Dây quấn sơ cấp :
Chiều cao trụ là : 100mm , đường kính dây quấn sơ cấp là : 2.12mm
 số vòng dây tối đa trong 1 lớp :
truc
r

100
= 47.12 vòng
2.12

e1 a e2
h

Mặt cắt dây quấn trên một trụ

TRANG 17


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Dây quấn sơ cấp gồm 360 vòng chia làm 8 lớp(7*47+31)
-Giữa 2 lớp đặt 1 lớp cách điện 0.1mm bằng bìa
-Bề dày dây quấn sơ cấp :
e1=d1*n+0.1*8=2.1*8+0.8=17.76 mm.
Bán kính trung bình dây quấn sơ cấp :
r1tb=rt+e1/2=33+(17.76/2)=41.88mm
Chiều dài dây quấn sơ cấp :
l1=2*π* r1tb*n1*10-3=2*3.14*41.88*360*10-3=94.68 m
Điện trở dây quấn sơ cấp ở 75oC là:
R1=ρ1l1(1+0.004*75)=0.00547*94.68*1.3=0.67Ω
*Dây quấn thứ cấp:
Chiều cao trụ là : 100mm , đường kính dây quấn thứ cấp là : 2.54mm
 số vòng dây tối đa trong 1 lớp :

100
= 40 vòng
2.54

Dây quấn thứ cấp gồm 238 vòng chia làm 6 lớp(5*40+38)
-Giữa 2 lớp đặt 1 lớp cách điện 0.1mm bằng bìa
- Giữa dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp để 1 khoảng cách α =8mm
-Bề dày dây quấn sơ cấp :
e2=d2*n+0.1*6=2.54*6+0.6=15.3mm.
Bán kính trung bình dây quấn thứ cấp :
r2tb=rt+e2/2+e1+a=33+15.3/2+17.76+8=66.41mm

Chiều dài dây quấn thứ cấp :
l2=2*π* r2tb*n2*10-3=2*3.14*66.41*238*10-3=99.3 m
Điện trở dây quấn thứ cấp ở 75oC là:
R2=ρ2l2(1+0.004*75)=0.00375*99.3*1.3=0.484 Ω
* Điện áp rơi trên điện kháng: ∆Ux =

3 XI d
π

X :là điện kháng trên toàn bộ trụ được tính như sau:

e + e2
r
(a + 1
)ω10 −7
2 2h
3
X=8π n2
Trong đó: α =8 mm là khoảng cách giữa dây quấn sơ cấp và thứ cấp:
r +r
41.88 + 61.41
= 51.645 mm
r= 1tb 2tb =
2
2

Suy ra: X=8*3.142*2382(51.645/100)*(0.008+(0.01776+0.0153)/3)*314*10-7
X=1.37 Ω
Vây : ∆Ux=1.37*3*12/3,14=15.7 V
Điện áp rơi trên điện trở:

∆Ur=[R2+R1*(n2/n1)2]Id=RId
∆Ur=[0.484+0.67*(238/360)2]*12=9.3 V
* Điện áp chỉnh lưu khi đầy tải:
TRANG 18


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Ud=Udo-∆Ux-∆Ur-∆UFe
=131-15.7-9.3-2=104V
* Tổn thất trong sắt từ có tính đến 15% tổn thất phụ :
P=1.3*nf(MT*BT2+Mg*Bg2)
=1.3*1.15*(2.85*1.1+2.28*1.1)=8.43 W
* .Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu :
Ud Id
η= U d I d + P + ∆U r I d + 2 I d

η=

104 * 12
= 90 %
104 * 12 + 8.43 + 9.3 * 12 + 2 * 12

* .Tổng trở ngắn mạch:
Zn= X 2 + R 2
∆U r

9.3

Với R= I = 12 = 0.775 Ω

d
Suy ra Zn= 1.37 2 + 0.775 2 = 1.574Ω `
*.Dòng điện ngắn mạch:
U

145.4

2
In= Z = 1.574 = 92Α
n
5. TÍNH CUỘN KHÁNG CÂN BẰNG : LCB

Mục đích của cuộn kháng cân bằng Lcb là nhằm hạn chế đến mức thấp nhất
dịng điện tuần hồn, cản trở sự đột biến để MBA và Thyristor làm việc tốt hơn,
khơng bị nặng nề.
Giả sử góc mở α1=α2=0,để Icc đạt đến giá trị lớn nhất ,thì lúc đó nguồn U2 bị
ngắn mạch sinh ra dòng điện ngắn mạch:
In=Icc=92 A
Lúc đó ta có phương trình cân bằng suất điện động :
Xo

dic12
= 2U 2 sin θ
dθ

Tích phân 2 vế ta được:
X 0 I c12 =

1
π

π
2

∫

2U 2 sin θdθ

0

Vậy giá trị trung bình:
I c12 =

Với

TRANG 19

1
πX o

2U 2 ⇒ X o =

2U 2
I c12π

Xo=Loω
Ic12=2%Id=0.02*12=0.24 A


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Suy ra

Xo=

2 * 145.4
= 272.86Ω
0.24 * 3.14

⇒ Lo =

X o 272.86
=
= 0.87Η
ω
314

Mà

Lo=2Lcb+LBA

Với

LBA=XBA/ω=1.37/314=0.00436 H

Suy ra: Lcb=(Lo-LBA)/2=(0.87-0.00436)/2=0.433H
Vậy

Lcb =0.433H

II.TÍNH CHỌN BỘ LỌC LC:
Bộ lọc là một thiết bị nối giữa nguồn chỉnh lưu và phụ tải điện một
chiều.Chức năng của bộ lọc là cho dịng điện có tấn số nào đó đi qua mà biên độ
khơng bị suy giảm ,đồng thời làm giảm mạch dòng điện ở tần số khác. Đối với
mạch chỉnh lưu công suất lớn ta dùng bộ lọc LC gồm có tụ điện C mắc song song
với phụ tải và một điện cảm mắc nối tiếp với phụ tải;(hình vẽ)
Bộ lọc có chức năng làm giảm nhỏ thành phần xoay chiều của điện áp và
dòng điện chỉnh lưu .Mà cụ thể trong mạch chỉnh lưu một pha hai nữa chu kỳ ta
thiết kế là bộ lọc có nhiệm vụ chủ yếu là hạn chế thành phần sóng hài bậc cao và
cho dịng điện một chiều đi qua.

L
ud

C

Động cơ

Bộ lọc LC

Điện áp đầu ra của các bộ chỉnh lưu có thể được triển khai thành chuổi Fourier.
Nếu chỉ lấy 2 số hạng đầu thì theo khai triển Furier ,điện áp đầu ra của bộ chỉnh
lưu 1 pha 2 nữa chu kỳ có dạng như sau:
ud=
TRANG 20

2 2
4
U2 +
π

3π

2U 2 cos 2θ = U d + a n 2U 2 cos 2θ


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT

Trong đó: U2 là giá trị hiệu dụng của điện áp thứ cấp MBA
an =

4
= 0.425
3π

Nếu chúng ta giả thiết đối với sóng hài tần số thấp mà XL>>XC thì dịng điện
xoay chiều chảy qua L và C sẽ quyết định bởi XL và có thể viết :
Im=

a n 2U 2
nω L

n=2 với chỉnh lưu 1 pha 2 nữa chu kỳ
Điện áp nhấp nhô:
∆U=
Tỷ số nhấp nhô:

Im
a 2U
= n 2 2 V
nωC n 2ω LC

∆U

kCL= 2U 2
Vậy
Với :

LC =

=

an
n ω 2 LC
2

an
n ω 2 k LC
2

kLc=0.01

Syu ra : LC =

0.425
= 107.7 * 10 − 6
2
2 * 314 * 0.01
2

Vậy nếu ta chọn: L=433mH

Thì : C=250 µF

Phần 5 : TÍNH CHỌN MẠCH BẢO VỆ
Đối với chỉnh lưu bán dẫn khi tính tốn cũng như khi vận hành ta phải đặc biệt
lưu ý đến vấn đề bảo vệ q dịng điện và q điện áp .
Vì van bán dfẫn có kích thước nhỏ ,nhiệt dung bé và nhiệt đọ dòng điện qua
mặt tiếp giáp p_n lớn nên nó rất nhạy với q tải về dịng.Hằng số thời gian phát
nóng của một bản Silic trong van cơng suất lớn chỉ có vài phần trăm giây .Do đó
khâu bảo vệ địi hỏi phải có độ tác động nhanh cao .
Mặt khác van bán dẫn cũng rất nhạy với quá điện áp .Chỉ cần tồn tại mọt điện
áp ngược lớn hơn gia trị cho phép trong khoảng vài µs,mặt tiếp giáp p_n đã có thể
bị chọc thủng về điện .

1.BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN :
TRANG 21


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT

Có 2 loại q dịng điện là: ngắn mạch và quá tải:
a) Ngắn mạch:
Dùng để chỉ các trường hợp sự cố tạo ra dòng điện quá lớn như ngắn mạch trên
tải ,trên thanh dẫn thứ cấp của MBA (ngắn mạch ngoài),ngắn mạch các pha do
chọc thủng van (ngắn mạch trong ),do đột biến nghịch lưu.
b) Quá tải :
Xuất hiện trong thời gian làm việc xác lập hay q độ .Nó có giá trị khơng lớn
lắm và cho phép tồn tại lâu dài hơn .
Vì vậy để bảo vệ các Thyristor tránh dòng điện phá hoại ,ta dùng các dây chảy
tác động nhanh .Loại dây chảy này có thể làm bằng dây chì hoặc làm bằng bạc là
đặt trong vỏ sứ có chứa cát thạch anh .Hoạt động của dây chảy có thể chia làm 2

giai đoạn (hình vẽ)
-Giai đoạn 1 :giai đoạn chảy từ t=0 đến khi bắt đầu xuất hiệnhồ quang .
-Giai đoan 2 :là giai doạn hồ quang bắt đầu t=thq đến kh cắt xong dòng điện sự
cố t=tc;giai đoan này ,điện áp hồ quang tăng dần và do đó dịng điện sự cố giảm
dần về 0

Khi khơng
dùng dây chảy

i

Khi dùng dây chảy

0

thq

Hình X.9

tc

t

Dòng điện khi chạy qua dây chảy sẽ sinh ra một nhiệt lượng Q=i2Rt
Để bảo vệ quá điện áp cho bộ biến đổi ta chọn đặt dây chảy tại 3 vị trí như sau:
-Vị trí 1:Đặt tại ngỏ vào của MBA .
-Vị trí 2:Dặt tại ngỏ ra của MBA.
-Vị trí 3:Mắc nối tiếp với mỗi Thyristor một dây chảy.(hình vẽ)
1

3

TRANG 22

2


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

2.BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP :
Thyristor cũng rất nhạy với điện áp quá lớn so với điện áp định mức ta gọi đó là
quá điện áp .
Có 2 loại nguyên nhân gây ra quá điện áp :
a) Nguyên nhân nội tại :
Khi khoá Thyristor bằng điện áp ngược ,các điện tích đổi ngược hành trình tạo
dịng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn(khoảng10-100µs).Sự biến thiên
nhanh chóng của dịng điện ngược sức điện động cảm ứng rất lớn ,trong các điện
cảm ln ln có ,của đường dây nguồn dẫn đến các Thyristor .Quá điện áp này là
tổng của điện áp làm việc và L

di
nói trên .
dt

b) Nguyên nhân bên ngoài :
Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẩu nhiên
khi có sét
đánh ,khi cầu chì nhảy ,khi đóng ,cắt MBA nguồn ,
Cắt MBA nguồn tức là cắt dịng điện từ hố MBA,
bấy giờ năng lượng từ trường tích luỹ trong lõi sắt từ,

chuyển thành năng lượng điện trường trong các tụ
điện
kí sinh ,rất nhỏ giữa dây quấn sơ cấp và thứ
cấp MBA (1/2LI2=1/2CU2).Điện áp này có thể
lớn gấp 5 lần điện áp làm việc .
Để bảo vệ quá điện áp người ta dùng mạch
RLC bảo vệ riêng từng Thyristor (hình vẽ)
Người ta thường chọn điện áp đinh mức của Thyristor là U ≥ 1.2Uim.Trị số này
vẫn còn nhỏ hơn nhiều so với các quá điện áp nói trên .Các quá điện áp có tốc độ
tăng trưởng

du
lớn. Đạo hàm điện áp sinh ra các dòng điện chảy qua tụ C, đấu
dt

giữa anôt và catôt của
Thyristor , i=C

du
.Điên cảm L hạn chế dịng điện chảy này.
dt

Khi kích mở Thyristor ,tụ điện C sẽ phóng điện qua Thyristor ,điện trở R hạn
chế dòng điện này .
Các linh kiện bảo vệ có thể tính tốn bằng cơng thức ,nhưng thực tế người ta ưa
dùng các trị số thực nghiệm :
TRANG 23


N IN T CễNG SUT

C = 0.01 ữ 1àF

R = 10 ữ 1000

L = 50 ữ 100à

Ta cng cú thể dùng mạch RC để bảo vệ quá áp cho bộ biến đổi:

R
T

C

R
u1

u2
C

Các mạch bảo vệ

-Mạch RC đấu song song với Thyristor nhằm bảo vệ quá điện áp do tụ điện tích
khi chuyển mạch gây nên
-Mạch RC đấu giữa 2 pha thứ cấp của MBA để bảo vệ điện áp do cắt không tải
MBA gây nên .
Thông số RC phụ thuộc vào mức độ của điện áp có thể xảy ra ,tốc độ biến thiên
của dòng điện chuyển mạch ,điện cảm trên đường dây ,dịng điện từ hố MBA.
Việc tính tốn các thơng số R,C địi hỏi phải tốn nhiều thời gian .ít có tài liệu
,mà taqif liệu cũng chỉ hướng dẫn phương pháp xác định các thông số R,C bằng đồ

thị giải tích .Nưng do các thơng số của bài toán quá nhỏ nên việc xá định theo dồ
thị khó chính xác. Do đó ta chọn mạch RLC để bảo vệ ,với các thơng số theo thực
nghiệm đã tìm được.

Phần 6 : TÍNH TỐN MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Để cho mạch động lực hoạt động đúng yêu cầu có thể điều chỉnh tốc độ
động cơ ta sử dụng mạch điều khiển đóng mở tiristor và đồng thởi thay đổi góc
kích mở α .
Tiristor mở cho dịng điện chảy qua khi có điện áp dương đặt trên anốt và
xung áp dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi tiristor đã mở thì xung điều khiển
khơng cịn tác dụng, dịng điện chảy qua tiristor do thông số mạch động lực quyết
định.
+ Mạch điều khiển có các chức năng sau đây :
Điều khiển được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của
điện áp đặt anốt và catốt của tiristor.
Tạo ra các xung đủ điều kiện mở được tiristor( xung điều khiển thường có
biên độ từ 2 ÷ 10V, độ rng xung tx = 20ữ100às i vi thit b chnh lưu).
+ Cấu trúc của mạch điều khiển một tiristor :
ucm : điện áp điều khiển, điện áp một chiều.
ur : điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thể của nó, đồng bộ với
điện áp anốt - catốt của tiristor.
TRANG 24


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Hiệu điện áp ucm - ur được đưa vào khâu so sánh1(ss), làm việc như một
trigơ. Khi ucm - ur = 0 thì trigơ lật trạng thái, ở đầu ra của nó ta nhận được một
chuổi xung dạng “sin chữ nhật”. Khâu 2 là đa hài một trạng thái ổn định, khâu 3 là
khâu khuếch đại xung, khâu 4 là khâu biến áp xung.

Bằng cách tác động vào ucm có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển,
tức là điều chỉnh được góc α .
Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển một tiristor :
1
SS

ucm

2

3

4

>1

ur

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN:
Dùng sơ đồ điều khiển kênh kiểu “arccos” sử dụng khâu tích phân OA1 ,
khâu so sánh OA2 (Bảng vẽ A3)
1. Khâu tạo điện áp đồng bộ:
Tín hiệu đầu vào của khâu OA1 là: u1 = Umsinωt
Tín hiệu đầu ra của khâu OA1 là: u2 = -

Um
1 Um
∫ R sin ωtdt = ωRC . cos ωt
C

2. Khâu so
sánh:
Đầu ra của
khâu tích phân là đầu vào
của khâu so sánh, đem so sánh với tín hiệu điều khiển
ucm(điện áp điều khiển)
Các điện áp u2 và ucm là hai đại lượng đầu vào của
khâu so sánh.
Chọn UCmax=

Um
= 10V
ωRC

Khi ucm = u2 ta có :

U cm

cosα = U
C max
Ở đầu ra của khâu so sánh ta nhận được chuỗi xung chữ nhật.

TRANG 25