Đồ án điện tử công suất: Thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia ba pha

Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
LỜI MỞ ĐẦU
Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng của các
linh kiện bán dẫn công suất làm việc ở chố độ chuyển mạch và quá trình biến đổi điện
năng.
Ngày này, không chỉ riêng gì các nước phát triển ngay cả ở nước ta các thiết bị
bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và trong lĩnh vự sinh hoạt.
Các xí nghiệp, nhà máy như xi măng, thủy điện, giấy, dệt, sợi, đóng tàu…đang sử dụng
ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện tử nói chung và điện tử công
suất nói riêng. Đó là mình chứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp này.
Với mục tiêu công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, ngày càng có nhiều xí
nghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư
điện những kiến thức về điện tử công suất. Cũng với lỹ do đó, trong học kỳ này chúng
em được nhận đồ án môn học điện tử công suất với đề tài: “ Thiết kế bộ chỉnh lưu hình
tia ba pha”.
Với hướng dẫn của Cô giáo: Nguyễn Thị Điệp, chúng em đã tiến hành nghiên
cứu và thiết kế đồ án. Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế
có hạn nên không thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cô đóng góp ý kiến để đồ án
của chúng em hoàn thiện hơn.
Chúng em xin trân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Khắc Việt
1
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
Hà Nội, tháng 6 năm 2015
2
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
MỤC LỤC
3
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
Đề tài: Thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia ba pha mắc trực tiếp vào lưới điện
3x380(V), 50Hz. Mạch cấp cho phụ tải thuần trở; yêu cầu U
d
= (100 - 200)V;
I
d
= 210 A; k

đm
= 0,1.
Chương I: Giới thiệu chung về bộ chỉnh lưu
Phần 1: Các vấn đề chung của bộ chỉnh lưu
1.1: Cấu trúc
a) Định nghĩa:
Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng
lượng dòng điện một chiều. Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng
rãi nhất trong thực tế.Sơ đồ cấu trúc thường gặp được của mạch chỉnh lưu như hình 1.1
Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu
Trong sơ đồ máy biến áp làm 2 nhiệm vụ chính là:
- Chuyển từ điện áp của lưới điện xoay chiều U
1
sang điện áp U
2
thích hợp với yêu cầu
của tải. Tùy theo tải mà máy biến áp có thể tăng áp hoặc giảm áp.
- Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu của mạch van. Thông
thường số pha của lưới lớn nhất là 3. Song mạch van có thể cần số pha là 6, 12…
Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp với lưới điện và mạch van đòi hỏi số pha
như lưới điện thì có thể bỏ máy biến áp.
- Mạch van ở đây là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách nào đó để có thể
tiến hành quá trình chỉnh lưu.
- Mạch lọc nhằm đảm bảo biến áp (hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải bằng phẳng
theo yêu cầu.
4
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
1.2: Phân loại
Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây:
a) Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: Một pha, hai pha, ba pha, sáu pha,

…
b) Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch
Hiện nay chủ yếu dùng hai loại van là điôt và thyristor, vì thế có ba loại mạch sau:
- Mạch van dùng toàn điôt được gọi là chỉnh lưu không điều khiển.
- Mạch van dùng toàn thyristor được gọi là chỉnh lưu điều khiển.
- Mạch chỉnh lưu dùng cả hai loại điôt và thyristor gọi là chỉnh lưu bán điều khiển.
c) Phân loại theo sơ đồ mắc các van với nhau
Có hai kiểu mắc van:
- Sơ đồ hình tia: Ở sơ đồ này số lượng van sẽ bằng số pha nguồn cấp cho mạch van.
Tất cả các van đều đấu chung một đầu nào đó với nhau hoặc catôt chung hoặc anôt
chung.
- Sơ đồ cầu: Ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van.
Trong đó một nửa số van mắc chung nhau catôt, nửa kia lại mắc chung nhau anôt. Như
vậy, khi gọi tên một mạch chỉnh lưu, người ta dùng ba dấu hiệu trên để chỉ cụ thể
mạch đó.
1.3: Luật dẫn van
Mạch van để thực hiện quá trình chỉnh lưu có khá nhiều, tuy nhiên chúng đề
tuân theo hai kiểu mắc với nhau là mắc catôt chung và mắc anôt chung. Vì thế chỉ cần
nhận biết hai quy luật dẫn này, ta có thể phân tích toàn bộ các mạch van chỉnh lưu có
trong thực tế.
5
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
1.3.1: Nhóm van đấu catôt chung
Hình 1.2: Sơ đồ van đấu catôt chung
Luật dẫn được phát biểu như sau:
Van có khả năng dẫn là van có điện thế anôt của nó dương nhất trong nhóm, tuy
nhiên nó chỉ dẫn được nếu điện thế anôt này dương hơn điện thế ở điểm catôt chung .
Ví dụ ở thời điểm hiện tại ta có:
>>…>
Và đồng thời > thì van sẽ dẫn. Nếu coi sụt áp trên van bằng 0 thì khi D

1
đã dẫn
ta thấy = . Điều nãy dẫn đến điện áp trên các van còn lại sẽ âm:
= - = - < 0
………………………………….
= - = - < 0
Như vậy các van còn lại sẽ phải khóa, không dẫn được.
6
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
1.3.2: Nhóm van đấu anôt chung
Hình 1.3: Sơ đồ van đấu anôt chung
Ở nhóm van đấu anôt chung có luật dẫn van: Van có khả năng dẫn là van có
điện thế catôt âm nhất trong nhóm, nhưng nó chỉ dẫn được nếu điện thế này âm hơn
điện thế điểm anôt chung .
1.4: Ý nghĩa các thông số cơ bản của mạch chỉnh lưu
Các tham số dùng để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật trong phân tích hoặc thiết kế
mạch chỉnh lưu, gồm có ba nhóm tham số chính như dưới đây:
1.4.1: Về phía tải
U
d
– Giá trị trung bình của điện áp nhận được ngay sau mạch van chỉnh lưu:
U
d
=
I
d
– Giá trị trung bình của dòng điện tử mạch van cấp ra:
I
d
=

P
d
= U
d
.I
d
là công suất một chiều mà tải nhận được từ mạch chỉnh lưu.
1.4.2: Về phía van
I
tbv
– Giá trị trung bình của dòng điện chảy qua một van của mạch van.
U
ng max
– Điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc.
1.4.3: Về phía nguồn
Thể hiện bằng công suất xoay chiều lấy từ lưới điện, thông thường sử dụng theo
công suất biểu kiến của biến áp:
S
ba
= = k
sd
.P
d
Trong đó:
S
1
= U
1
.I
1

7
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
Ở đây các giá trị U
1
, I
1
, U
2i
, I
2i
là trị số hiệu dụng của biến áp và dòng điện pha
sơ cấp và thứ cấp máy biến áp. Do phía thứ cấp có thế có nhiều cuộn dây, nên phải
tổng công suất của tất cả m cuộn dây.
Để đánh giá khả năng biến đổi công suất xoay chiều thành một chiều, công suất
lấy từ lưới điện S
ba
được so sánh với công suất một chiều P
d
mà tải nhận được qua hệ số
sơ đồ k
sd
. Hệ số này càng gần 1 càng chứng tỏ mạch có hiệu suất biến đổi tốt hơn.
Ngoài nhóm ba tham số trên còn có một tham số dùng để đánh giá sự bằng
phẳng của điện áp một chiều nhận được, gọi là hệ só đập mạch k
đm
, được xác định theo
biểu thức:
k
đm
=

Trong đó U
1m
là biên độ sóng hài bậc 1 theo khai triển Fourier của điện áp chỉnh
lưu và U
0
là thành phần cơ bản cũng theo khai triển này. U
0
cũng chính là giá trị trung
bình của điện áp chỉnh lưu, tức là U
0
= U
d
.
8
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
Phần 2: Giới thiệu các loại van Thyristor
1.5: Cấu tạo và ký hiệu
Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba lớp
tiếp giáp p-n: J
1
, J
2
, J
3
. Thyristor có ba cực: Anôt A, catôt K, cực điều khiển G như
được biểu diễn trên hình.
Hình 1.4: Cấu tạo và ký hiệu của Thyristor
1.6: Nguyên lý hoạt động
Khi Thyristor được nối với nguồn một chiều E > 0 tức cực dương đặt vào anốt
cực âm đặt vào catốt thì tiếp giáp J

1
, J
3
được phân cực thuận còn miền J
2
phân cực
ngược, gần như toàn bộ điện áp được đặt lên mặt ghép J
2
, điện trường nội tại E
1
của J
2

có chiều từ N
1
hướng tới P
2
. Điện trường ngoài tác động cùng chiều với E
1
, vùng
chuyển tiếp là vùng cách điện càng được mở rộng ra, không có dòng điện chạy qua
thyristor mặc dù nó được đặt dưới 1 điện áp dương.
1.6.1: Mở thyristor
Nếu cho một xung điện áp dương U
g
tác động vào cực G (dương so với K) thì
các electron từ N
2
chạy sang P
2

. Đến đây một số ít trong chúng chạy về nguồn U
g
và
hình thành dòng điều khiển I
g
chảy theo mạch G
1
– J
3
– K – G, còn phần lớn điện tử
dưới sức hút của điện trường tổng hợp có mặt J
2
lao vào vùng chuyển tiếp này chúng
được tăng tốc do đó có động năng rất lớn sẽ bẻ gãy các liên kết giữa các nguyên tử Si,
tạo nên các điện tử tự do mới. Kết quả của các phản ứng dây chuyền này làm xuất hiện
9
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
càng nhiều điện tử chạy vào vùng N
1
qua P
1
và đến cực dương của nguồn điện ngoài,
gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt làm cho J
2
trở thành mặt ghép dẫn điện bắt đầu từ
một điểm nào đó ở xung quanh cực rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép với tốc độ lan
truyền khoảng 1m/100.
1.6.2: Khóa Thyristor
Để khóa thyristor có 2 cách:
- Giảm dòng điện làm việc I xuống giá trị dòng duy trì I

dt
. Đặt một điện áp ngược lên
thyristor U
AK
< 0, hai mặt J
1
, J
3
phân cực ngược; J
2
phân cực thuận. Những điện tử
trước thời điểm đảo cực tính U
AK
< 0 đang có mặt tại P
1
, N
1
, P
2
bây giờ đảo chiều hành
trình, tạo nên dòng điện ngược chạy từ catốt về anốt và về cực âm của nguồn điện áp
ngoài.
Hình 1.5a Hình 1.5b
- Lúc đầu quá trình từ t
0
t
1
, dòng điện ngước khá lớn, sau đó J
1
, J

3
trở nên cách điện.
Còn một ít điện tử được giữ lại giữa hai mặt ghép, hiện tượng khuếch tán sẽ làm chúng
ít dần đi cho đến hết và J
2
khôi phục lại tính chất của mặt ghép điều khiển.
- Thời gian khóa t
off
được tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược bằng 0 (t
2
) đây
là thời gian mà sau đó nếu đặt điện áp thuận lên thyristor thì thyristor vẫn không mở,
t
off
kéo dài khoảng vài chục . Trong bất kỳ trường hợp nào cũng không được đặt
thyristor dưới điện áp thuận khi thyristor chưa bị khóa nếu không sẽ có nguy cơ ngắn
mạch nguồn. Theo hình sơ đồ ( hình 1.5a), việc khóa thyristor bằng điện áp ngược
được thực hiện bằng cách đóng khóa K còn sơ đồ (hình 1.5b) cho phéo thyristor một
cách tự động. Trong mạch hình 1.5b khi mở thyristor này thì thyristor kia sẽ khóa lại.
10
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
Giả thiết cho một xung điện áp dương đặt vào G
1
T
1
mở dẫn đến xuất hiện 2 dòng
điện: Dòng thứ nhất chảy theo mạch: +E – R
1
– T
1

– -E, còn dóng thứ 2 chảy theo
mạch +E – R
2
– T
1
– -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
T
2
mở nó sẽ đặt điện thế điểm B vào
catot của T
1
. Như vậy là T
1
bị đặt dưới điện áp U
c
= - E và khi T
1
bị khóa lại.
- T
2
mở lại xuất hiện 2 dòng điện: dòng thứ nhất chảy theo mạch: +E – R
1
– T
1
– -E.
Còn dòng thức hai chày theo mạch +E – R
2

– T
1
– -E.
- Tụ C được nạp ngược lại cho đến giá trị E, chuẩn bị khóa T
2
khi ta cho xung mở T
1
.
1.7: Đặc tính Vôn-ampe của Thyristor
Hình 1.6: Đặc tính Vôn-ampe của Thyristor
Đoạn 1 : Ứng với trạng thái khoá của Thyristor, chỉ có dòng điện rò chảy qua
Thyristor khi tăng U lên đến U
ch
(điện áp chuyển trạng thái), bắt đầu quá trình tăng
nhanh chống của dòng điện. Thyristor chuyển sang trạng thái mở.
Đoạn 2 : Ứng với giai đoạn phân cực thuận của J
2
. Trong giai đoạn này mỗi
lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với mọt lượng giảm lớn của điện áp đặt lên
Thyristor, đoạn này gọi là đoạn điện trở âm.
Đoạn 3 : Ứng với trạng thái mở của Thyristor. Khi này cả 3 mặt ghép đã trở
thàng đẫn điện. Dòng chảy qua Thyristor chỉ còn bị hạn chế bởi điện trở mạch ngoài.
11
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
Điện áp rãi trên Thyristor rất lớn khoảng 1V. Thyristor được giử ở trạng thái mở chừng
nào I còn lớn hơn dòng duy trì I
H
.
Đoạn 4 : Ứng với trạng thái Thyristor bị đặt dưới điện áp ngược. Dòng điện rất
lớn, khoảng vài chục mA. Nếu tăng U đến U

ng
thì dòng điện ngược tăng lên nhanh
chống, mặt ghép bị chọc thủng, Thyristor bị hỏng. Bằng cách cho I
g
lớn hơn 0 sẽ nhận
được đặt tính Vôn-ampe với các U
ch
nhỏ dần đi.
1.8: Các thông số cơ bản
1.8.1: Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor I
v,tb
Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt
độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá một giá trị nhiệt độ cho
phép. Trong thực tế, dòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc vào điều
kiện làm mát và môi trường. Có thể làm mát tự nhiên nhưng hiệu suất không cao, vì
thế với yêu cầu cao hơn người ta làm mát cưỡng bức thyristor bằng quạt gió hoặc bằng
nước, tuy nhiên điều này có thể khiến kích thước thiết bị tăng đáng kể, dùng cho các
thiết bị có công suất lớn. Nói chung có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm
mát như sau:
• Làm mát tự nhiên: Dòng sử dụng cho phép tới một phần ba dòng cho phép I
v,tb
.
• Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: Dòng sử dụng cho phép bằng hai phần ba dòng
cho phép I
v,tb.
• Làm mát cưỡng bức bằng nước: Có thể sử dụng đến 100% dòng I
v,tb
.
1.8.2: Điện áp ngược cho phép lớn nhất U
ng,max

Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên thyristor. Trong các ứng
dụng phải đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa anôt-catôt U
AK
luôn nhỏ
hơn hoặc bằng U
ng max
. Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp,
nghĩa là U
ng max
phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 - 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của
điện áp trên sơ đồ đó.
12
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
1.8.3: Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor τ(μs)
Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anôt-catôt của thyristor
sau khi dòng anôt-catôt đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp U
AK
dương
mà thyristor vẫn khóa. τ là một thông số quan trọng của thyristor. Thông thường phải
đảm bảo thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5 - 2 lần τ.
1.8.4: Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/μs)
Thyristor là một phần tử bán dẫn có điều khiển, có nghĩa là dù được phân cực
thuận (U
AK
> 0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng chạy
qua. Khi thyristor phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J
2
như hình
vẽ.
Hình 1.7: Hiệu ứng dU/dt tác dụng như dòng điều khiển

Lớp tiếp giáp J
2
bị phân cực ngược nên độ dày của nó mở ra, tạo ra vùng không
gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua. Vùng không gian này có thể coi như
một tụ diện có điện dung C
j2
. Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện của tụ
có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển. Kết quả là thyristor có thể
mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G.
13
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với thyristor
tần số cao. Ở thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 V/μs còn với các
thyristor tần số cao dU/dt có thể lên tới 500 đến 2000 V/μs.
1.8.5: Tốc độ tăng dòng cho phép dI/dt (A/μs)
Khi thyristor bắt đầu mở không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn
của nó đều dẫn dòng đồng đều. Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một vài điểm, gần với
cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện.
Nếu tốc độ tăng dòng điện quá lớn có thể dẫn tới mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban
đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá nhanh dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đến hỏng
toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn.
Tốc độ tăng dòng cho phép ở các thyristor tần số thấp vào khoảng 50 ÷
100A/μs, với các thyristor tần số cao dI/dt vào khoảng 500 ÷ 2000A/μs. Trong các bộ
biến đổi phải luôn có các biện pháp đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới giá trị cho phép.
Điều này đạt được nhờ mắc nối tiếp các phần tử bán dẫn với các điện kháng nhỏ, lõi
không khí hoặc đơn giản hơn là các xuyến ferit lồng lên nhau. Các xuyến ferit rất phổ
biến vì cấu tạo đơn giản, dễ thay đổi điện cảm bằng cách thay đổi số xuyến lồng lên
thanh dẫn. Xuyến ferit còn có tính chất của cuộn cảm bão hòa, khi dòng qua thanh dẫn
còn nhỏ điện kháng sẽ lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng. Khi dòng đã lớn ferit bị bão
hòa từ, điện cảm giảm gần như bằng không.

1.9: Đưa ra một số hình ảnh thực tế của van thyristor
14
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
Hình 1.8: Hình dạng vài loại Thyristor thông dụng
1.10: Ứng dụng trong thực tế
• Truyền động động cơ điện một chiều có điều khiển (công suất hàng MW).
• Nguồn cho mạch kích từ máy phát điện.
• Các hệ thống giao thông dùng điện một chiều.
• Công nghệ luyện kim màu, công nghệ hóa học.
• Thiết bị hàn điện một chiều, mạ kim loại, nạp điện acquy.
Phần 3: Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha tải R
d
, L
d
, E
d

Hình 1.9: Mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha tải R
d
, L
d
, E
d
Hình 1.10: Đồ thị điện áp dòng điện mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha tải R
d
, L
d
, E
d
15

Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
Giả thiết tải : R
d
, L
d
, E
d
chuyển mạch tức thời.
Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp:
•
θ
sin
1 m
Uu =
•
)
3
2
sin(
2
π
θ
−=
m
Uu
•
)
3
4
sin(

3
π
θ
−=
m
Uu
Nhịp V
1
: khoảng thời gian từ
21
θθ
>−
. Tại
1
θ
điện áp đặt lên u
1
> 0, có xung
kích khởi: T
1
mở, khi đó:





<−=
<−=
=
0

0
0
133
122
1
uuu
uuu
u
v
v
v
T
1
mở, T
2
, T
3
đóng, lúc này:
+ Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u
1
: u
d
= u
1
+ Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện qua van 1: i
d
= I
d
= i
1

+ Dòng điện qua T
2
, T
3
bằng 0: i
2
= i
3
= 0
Trong nhịp V1: u
V2
từ âm chuyển lên 0, khi u
V2
= 0 thì T
2
mở, lúc này u
V1
= u
1
–
u
2
= 0 và bắt đầu âm nên T1 đóng, kết thúc nhịp V
1
, bắt đầu nhịp V
2
.
Nhịp V
2
: từ

32
θθ
>−
Lúc này:





−=
−=
=
233
211
2
0
uuu
uuu
u
v
v
v
T
2
mở, T
1
, T
3
đóng.
+ Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u

2
: u
d
= u
2
+ Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện dòng điện qua van 2: i
d
= I
d
= i
2
+ Dòng điện qua T1, T3 bằng 0: i
1
= i
3
= 0
Trong nhịp V
2
: u
V3
từ âm chuyển lên 0, khi u
V3
= 0 thì T
3
mở, lúc này u
V2
= u
2
–
u

3
= 0 và bắt đầu âm nên T
2
đóng, kết thúc nhịp V
2
, bắt đầu nhịp V
3
.
16
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
Nhịp V
3
: từ
43
θθ
>−





−=
−=
=
322
311
3
0
uuu
uuu

u
v
v
v
T
3
mở, T
1
, T
2
đóng.
+ Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u
3
: u
d
= u
3
+ Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện dòng điện qua van 3: i
d
= I
d
= i
3
+ Dòng điện qua T1, T2 bằng 0: i
1
= i
2
= 0
Trong nhịp V3: u
V1

từ âm chuyển lên 0, khi u
V1
= 0 thì T1 mở, lúc này u
V3
= u
3
–
u
1
= 0 và bắt đầu âm nên T3 đóng, kết thúc nhịp V3, bắt đầu nhịp V1.
Trong mạch ,dạng sóng của dòng điện phụ thuộc vào tải, tải thuần trở dòng điện
i
d
cùng dạng sóng u
d
,khi điện kháng tải tăng lên ,dòng điện càng trở nên bằng phẳng
hơn ,khi L
d
tiến tới vô cùng dòng điện i
d
sẽ không đổi, i
d
= I
d
.
Các giá trị trung bình:
- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:
α
π
θθ

π
α
ππ
α
π
cos.
2
63
.sin.
2
3
.
1
3
2
6
6
0
UdUdtu
T
U
m
T
dd
===
∫∫
++
+
Đặt : giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu của bộ chỉnh lưu điều khiển với
0

0=
α
suy ra .
17
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC
Hình 2.1: Sơ đồ mạch lực
Việc tính chọn thiết bị có ý nghĩa rất quan trọng cả về kinh tế lẫn kỹ thuật việc
tính chọn càng chính xác, tỉ mỉ bao nhiêu thì hệ thống làm việc càng an toàn bấy
nhiêu.Hơn nữa việc chọn thiết bị chính xác còn nâng cao chất lượng, hiệu suất của hệ
thống.Nếu tính chọn thiếu chính xác thì hiệu suất kém hoặc không làm việc được làm
tang chi phí cho nhà đầu tư.
Vì vậy, việc tính toán thiết bị phải đáp ứng được yêu cầu sau đây:
+ Về mặt kỹ thuật phải đảm bảo yêu cầu công nghệ và các thong số phù hợp với thiết
bị.
+Về mặt kinh tế, thiết bị được chọn trong khi thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật phải đảm
bảo có chi phí mua sắm hợp lý.
18
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
Với các số liệu cho trước như sau:
• Điện áp nguồn ba pha: 380 (V)
• U
d
= (V)
• I
d
= 210 (A)
• K
dm
= 0,1

• Tần số: 50 Hz
2.1: Thông số chọn van
2.1.1: Điện áp ngược của van
U
ng max
= k
nv
.U
2
Với U
2
=
d
u
U
k
=
17,1
220
= 188,03 (V)
Trong đó:
• U
d
: Điện áp tải của van
• U
2
: Điện áp nguồn xoay chiều của van
• k
u
: Hệ số điện áp tải (Tra bảng 1.1: k

u
= 1,17)
• k
nv
: Hệ số điện áp ngược (Tra bảng 1.1: k
nv
= )
• U
ng max
: Điện áp ngược của van
U
ng max
= .188,03 = 460,58 (V)
Để chọn van theo điện áp hợp lý thì điện áp ngược của van cần chọn phải lớn
hơn điện áp làm việc.
U
v
= k
dtU
.U
ng max
= 1,8.460,58 = 829,04 (V)
Trong đó: k
dtU
là hệ số dự trữ về điện áp cho van (Thường lấy bằng 1,8)
2.1.2: Dòng điện làm việc của van
Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van
I
lv
= I

hd
= k
hd
. I
d
=0,58.210 = 121,8 (A)
Trong đó:
• k
hd
: Hệ số xác định dòng điện hiệu dụng (k
hd
= 0,58).
• I
hd
: Dòng điện hiệu dụng của van.
• I
d
: Dòng điện tải.
Với các thông số làm việc ở trên, chọn điều kiện làm việc của van là: có cánh
tản nhiệt với đủ diện tích bề mặt, cho phép van làm việc tới 40% I
v
.
I
đm v
= k
i
. I
lv
= 1,4.121,8 = 170,52 (A)
Trong đó: k

i
là hệ số dự trữ dòng điện. k
i
= (1,1 ÷ 1,4)
Vậy thông số van là: U
nv
= 829,04 (V)
19
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
I
đm lv
= 170,52 (A)
Chọn Thyristor loại T14-200 với các thông số định mức (Tra bảng phụ lục 2):
Ký hiệu
U
đk
(V)
I
đk
(mA)
I
tb
(A)
I
đỉnh
(A)
I
rò
(mA)
Cấp

điện áp
t
ph
(V)
T14-200 3,5 200 200
500
0
25 3 - 16 2 - 6 1 - 4 2 - 6 1,75
• I
tb
(A): Dòng điện trung bình tối đa cho phép chảy qua van.
• I
đỉnh
(A): Trị số biến dòng điện dạng sin.
• I
rò
(mA): Dòng điện rò khi van ở trạng thái khóa.
• Cấp du/dt: Tốc độ tăng điện áp.
• t
ph
: Phân cấp theo thời gian phục hồi tính chất khóa của van.
• Cấp di/dt: Tốc độ tăng dòng.
• (V): Sụt áp thuận trên van ở dòng định mức.
• U
đk
(V): Điện áp điều khiển.
• I
đk
(A): Dòng điều khiển.
2.2: Các phần tử bảo vệ mạch động lực

2.2.1: Bảo vệ quá nhiệt cho van
Làm mát bằng nước tuần hoàn với lưu lượng 10 (lít/phút) , nhiệt độ nước làm
mát khoảng 25.
2.2.2: Bảo vệ quá dòng
Do công nghệ chế tạo Van bán dẫn nên phát triển nên khi chọn Van ta đã chọn
Van có dòng điện định mức lớn hơn nhiều so với dòng điện làm việc do đó có thể bỏ
qua sự quá dòng điện lâu dài. Vì vậy chúng ta chỉ cần xem xét các biện pháp bảo vệ
quá dòng ngắn hạn cho van bán dẫn.
a) Dùng cầu chì bảo vệ
Ta dùng 2 nhóm cầu chì để bảo vệ Van dùng để chống lại sự cố ngắn mạch.
• Nhóm 1: Lắp đặt ở các pha từ nguồn ra:
I
1cc
= 1,2.I
d
= 1,2.210 = 252 (A)
Ta chọn loại cầu chì GSGB300 có các thông số là:
I
dm
= 300A; U
dm
= 600V(AC), 350V(DC)
• Nhóm 2: Lắp nối tiếp với Thyristor :
I
2cc
= 1,2.I
lv
= 1,2 . 70 = 84 (A)
Ta chọn cầu chì GSGB110 có các thông số sau:
I

dm
= 110A; U
dm
= 600V(AC), 400V(DC)
20
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
b) Dùng aptomat bảo vệ
Chọn aptomat có các thông số:
• Có 3 tiếp điểm chính, đóng cắt bằng nam châm điện.
• Dòng điện làm việc qua Aptomat: I
lv
= I
cp
= 200A
• Dòng điện aptomat cần chọn: I
dm
= 1,2.I
lv
= 1,2.200 = 240A
• Chỉnh định dòng ngắn mạch: I
mm
= 2,5.I
lv
= 2,5 . 200 = 500A
• Dòng quá tải: I
qt
= 1,5.I
lv
= 1,5 . 200 = 300A
• Thời gian tác động phải nhỏ: t <10ms

Ta chọn loại TS250NFMU250 của hàn quốc chế tạo.
21
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
2.2.3: Bảo vệ quá áp cho Van
a) Bảo vệ xung từ điện áp lưới
Ta thực hiện bằng cách mắc mạch RC như sau:
Hình 2.2: Bảo vệ xung từ điện áp lưới
Chọn theo kinh nghiệm R
1p
= 20Ω; C
1p
= 3uF.
b) Bảo vệ quá điện áp cho quá trình đóng cắt Thyristor
Ta thực hiện bằng cách mắc song song một mạch RC với Thyristor:
Hình 2.3: Bảo vệ quá điện áp cho quá trình đóng cắt Thyristor
Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong lớp bán dẫn phóng ra ngoài
tạo thành dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của
dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá
áp giữa Anot và Katot của Thyristor. Khi có mạch R
2
, C
2
mắc song song với Thyristor
tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Thyristor không bị
quá điện áp.
Chọn theo kinh nghiệm: R
1
= 40 Ω; C
1
= 2,2 F

22
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
2.3: Xác định góc ,
Chọn U
d
= 200 (V), I
d
= 210 (A), k
đm
= 0,1
a) Xác định góc :
Giả sử :
(1)
Trong đó: U
d
= 200 (V)
Thay vào (1) ta có:
Như vậy giả thuyết đúng ; mạch làm việc ở chế độ dòng tải gián đoạn.
b) Xác định góc :
Giả sử :
(2)
Trong đó: U
d
= 100 (V)
Thay vào (2) ta có:
Như vậy giả thuyết đúng ; mạch làm việc ở chế độ dòng tải gián đoạn.
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1: Yêu cầu mạch điều khiển chỉnh lưu
• Phát xung điều khiển đến các van lực theo đúng pha và với góc điều khiển α cần thiết.
• Đảm bảo phạm vi góc điều khiển tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải của

mạch lực.
• Có độ đối xứng xung điều khiển tốt không vượt quá 1
0
đến 3
0
điện.
23
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
• Đảm bảo cách ly tốt giữa mạch lực và điều khiển.
• Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động cả về
tần số và giá trị.
• Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt.
• Đảm bảo độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1ms.
• Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van phù hợp để mở chắc chắn van, tức phải
thỏa mãn:
- Đủ công suất: về điện áp và dòng điện điều khiển.
- Có sườn xung dốc đứng để mở van vào đúng thời điểm quy định.
- Độ rộng xung điều khiển đủ cho dòng qua van kịp vượt trị số dòng điện duy trì I
dt

của nó, để khi ngắt xung van vẫn giữ trạng thái dẫn.
- Xung có dạng phù hợp với sơ đồ chỉnh lưu và tính chất tải.
3.1.1: Lựa chọn xung điều khiển
Vì mạch điều khiển sơ đồ cầu 3 pha có những điểm khác so với những sơ đồ
khác là trong sơ đồ luôn có hai van dẫn điện: một van ở nhóm catot chung và một van
ở nhóm anot chung. Theo lý thuyết thì chỉ cần 6 xung đơn để mở van tương ứng,
nhưng do đặc tính phụ tải cũng như đặc điểm chuyển mạch có thể làm cho van đang
dẫn trước đó khóa lại => Ta sẽ tạo ra các xung chùm có độ rộng phù hợp để điều khiển
van cũng như giảm khích thước máy biến áp xung.
3.1.2: Lựa chọn mạch điều khiển

Có 2 nguyên lý điều khiển cơ bản:
- Nguyên lý điều khiển ngang.
- Nguyên lý điều khiển dọc (điều khiển thẳng đứng) đảm bảo độ tác động nhanh cao
nhất.
Ta có sơ đồ khối mạch điều khiển chỉnh lưu như sau:
24
Đồng Pha Răng cưa So sánh
dk
Phát xung
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp
Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu
a) Khâu đồng pha:
- Khâu đồng bộ có nhiệm vụ: Chuyển đổi điện áp lực có giá trị cao xuống giá trị thấp
phù hợp với mạch điều khiển.
- Cách ly hoàn toàn về điện áp giữa mạch lực và mạch điều khiển. Điều này đảm bảo
an toàn cho người sử dụng cũng như các linh kiện điện tử.
Khâu tạo xung răng cưa: Khâu này tạo điện áp răng cưa cấp cho khâu so sánh, đảm bảo
cho vùng điều khiển đủ rộng để đáp ứng yêu cầu về vùng điều khiển, độ chình xác và
tính ổn định trong điều khiển xung.
b) Khâu tạo điện áp tựa:
Mục đích của khâu điện áp răng cưa là tạo ra điện áp răng cưa từ điện áp đồng
pha để đưa vào khâu so sánh.
Đa số các điện áp tựa trong mạch điều khiển hiện thời đều dạng răng cưa vì nó
khắc phục được những được điểm của dạng hình sin.
Ưu điểm: Ít bị ảnh hưởng của điện áp và tần số nguồn xoay chiều.
Nhược điểm: Không đạt được quan hệ tuyến tính giữa điện áp điều khiển và điện
áp chỉnh lưu nên sẽ khó khăn hơn khi cần tiến hành quá trình tự động điều chỉnh và ổn
định thông số của mạch chỉnh lưu nói riêng hay của thiết bị nói chung.
Ta có thể chia làm hai loại chính là:
• Răng cưa phi tuyến (không thẳng).

• Răng cưa tuyến tính (răng cưa thẳng).
Có hai phương pháp cơ bản tạo hàm răng cưa:
- Dùng Transistor và tụ điện.
- Dùng khuếch đại thuật toán và tụ điện.
c) Khâu so sánh:
25