Đồ án điện tử công suất về UPS, GVHD Dương Văn Nghị, ĐH Bách Khoa Hà Nội

Trờng đại học bách khoa hà nội
Khoa điện
bộ môn tự động hoá Xncn
*****************

đồ án môn học
điện tử công suất
Giáo viên hớng dẫn :

Dơng văn nghi

Sinh viên thực hiện

: Cao Nguyên

Lớp

: tđh 1 - k49

Hà nội, tháng 4/2007


Ch¬ng I : Tỉng quan vỊ UPS
A. Sù cè vỊ nguồn và giải pháp UPS:
Sự cố về nguồn điện nói chung và mất điện nói riêng làm ảnh hởng rất nhiều
đến các hoạt động trong cuộc sống hiện đại, nhất là các thiết bị nhạy cảm hay
yêu cầu phải hoạt động liên tục nh là máy tính,máy xử lý công nghiệp,thiết bị y
tế,viễn thông và các hoạt động thơng mại ®iƯn tư. ViƯc ngõng trƯ ( do sù cè vỊ
®iƯn ) sẽ làm chậm giao dịch,mất thông tin, gây tổn hại vê nhiều mặt, mất thời
gian để khắc phục và sửa chữa.
1. Các sự cố về nguồn điện:

Về mặt lý thuyết: Hệ thống phân phối năng lợng điện tạo ra một điện áp
hình sin vơi biên độ và tần số thích hợp để cung cấp cho thiết bị điện (400V50Hz chẳng hạn).
Trong thực tế, những sóng hình sin điện áp và dòng điện cùng tần số bị ảnh
hởng trong phạm vi khác nhau bởi những sự cố có thể xuất hiện trong hệ thống.

ã Xung nhọn : Là sự tăng lên đột ngột của điện áp trong một khoảng thời
gian ngắn. Nguyên nhân gây ra là sự đóng cắt của các bộ điều chỉnh nhiệt
hoặc các thiết bị đóng cắt dòng lớn. Hiện tợng này làm h hỏng phần
cứng,các thiết bị ngoại vi,board và làm h các phần mềm.
ã Nhiễu điện : Chính là sự nhiễu loạn giữa đờng cung cấp và đất,giữa các
dòng với nhau, dòng với trung tính ... Nó gây ra bởi sét đánh, do lỗi d©y


hay gần các thiết bị thu phát sóng radio Hiện tợng này làm cho các dữ
liệu có thể bị treo hoặc bị phá huỷ.
ã Tăng áp : Sự tăng đột ngột tức thời đôi khi đến mức gây h hỏng . Hiện tợng này thờng xảy ra ngắn và có biên độ rất cao. Nguyên nhân gây ra thờng là do tắt các máy dùng điện,bị sét đánh hay là phục hồi lại điện sau
khi bị mất.
ã Sụt áp : Điện áp giảm so với giá trị điện áp trung bình tròng vài chu kỳ.
Hiện tợng này dễ gặp khi khởi động tải lớn nh là khi khởi động máy điện
quay. Nó làm cho hệ thống máy tính phải khởi động lại.
ã Sụt áp do quá tải : Nó cũng giống nh hiện tợng sụt áp nhng thời gian dài
hơn và thờng là nguy hiểm hơn. Hiện tợng này xảy ra khi nguồn cung cấp
không cung cấp đủ cho tải và máy phát ngắt điện toàn bộ lới.
ã Mất điện : Nguồn điện cung cấp bị ngắt hoàn toàn. Hiện tợng này xảy ra
khi đờng dây cung cấp bị lỗi,tai nạn hay bị thiên tai
ã Dng súng ca nguồn cung cấp khơng có hình sin.
• Tần số của nguồn thay đổi sai khác so với tần số định mc.
2. Giải pháp UPS :
Trớc những sự cố về nguồn điện không thể tránh đợc, chúng ta cần phải có
một giải pháp sao cho vừa đem lại sự an toàn và tính sử dụng liên tục cho các

thiết bị điện,điện tử cần u tiên, vừa đảm bảo an toàn cho ngời sử dụng.
Có nhiều giải pháp cho vấn đề này nh sử dụng thêm nguồn dự phòng và bộ
chuyển mạch nhanh nhng giải pháp này gây tốn kém vì phải sử dụng thêm nguồn
thứ hai và vẫn phải cần có thời gian để chuyển mạch trong khi yêu cầu s dụng
đòi hỏi về nguồn :
ã Tính liên tục.
ã Chất lợng của nguồn điện.
Bộ nguồn liên tục UPS chính là giải pháp đáp ứng đợc các yêu cầu đó. Nó
cung cấp cho tải với nguồn ổn định và liên tục trong mọi trờng hợp bị sự cố.
B. Chức năng của UPS vµ øng dơng cđa nã trong thùc tÕ.
UPS : Uninterruptible Power Supply : Bộ nguồn liên tục.
1. Các chức năng cña UPS :


Hoạt động nh một giao diện giữa hệ thống cung cấp điện và những tải nhạy
cảm. UPS cung cấp cho tải một năng lợng điện liên tục, chất lợng cao, không
phụ thuộc mọi tình trạng của hệ thống cung cấp.
UPS tạo ra một điện áp cung cấp tin cậy :
ã Không bị ảnh hởng của những sự cố của hệ thống cung cấp, đặc biệt khi
hệ thống cung cấp ngừng hoạt động.
ã Phạm vi sai số cho phép tuỳ theo yêu cầu của những thiết bị điện từ nhạy
cảm
UPS có thể cung cấp điện áp tin cậy, độc lập và liên tục thông qua các
khâu trung gian: Acquy và chuyển mạch tĩnh.
2. ứng dụng của UPS trong thực tế:

C. Phân loại UPS:
Theo nguyên lý làm việc của UPS ta phân thành các loại dới đây
1. UPS tĩnh:
L UPS s dng các bộ biến đổi điện tử công suất làm chức năng chỉnh

lưu và nạp ¾c quy để tích lũy điện năng khi làm việc bình thường. Khi có sự cố
bộ nghịch lưu làm nhiệm vụ biến đổi điện năng một chiều thành điện năng xoay
chiều cung cấp cho các tải u tiờn.
UPS tĩnh chiếm phần lớn trong các hệ thống UPS. Năng lợng của các hệ
thống này thờng đợc tích trữ trong ắc quy. Thành phần cơ bản của UPS này bao
gồm :
- Ăc quy
- Bộ chỉnh lu/nạp
- Bộ nghịch lu vµ bé läc


UPS tĩnh có 2 loại chính là : UPS chuyển đổi đơn và UPS chuyển đổi kép.
( dựa trên cách thức mà UPS cung cấp cho tải )
a. UPS chuyển đổi kép:
Trong loại này,trớc tiên nguồn cung cấp sẽ chuyền thành dòng một chiều
thông qua bộ chỉnh lu nạp vào ¾c quy. TiÕp ®ã ngn 1 chiỊu tõ ¾c quy sẽ đc
chuyển sang điện áp xoay chiều thông qua sự kết hợp của bộ nghịch lu và bộ
lọc.
Bộ nghịch lu này hoạt động liên tục và cung cấp năng lợng cho tải cả
trong trờng hợp thờng và trờng hợp khẩn cấp.

Về cấu tạo UPS loại này cho phép mắc nối tiếp 1 nguồn bổ sung vào mạch
điện một chiều của nó. Ví dụ đầu ra nguồn 1 chiều của UPS đợc cung cấp bởi
một máy phát điện Diesel mắc song song với ắc quy. ắc quy này có thể cung
cấp năng lợng cho tải liên tục cho đến khi hết năng lợng dự trứ thì máy phát
điện sẽ làm việc tiếp tục cung cấp năng lợng cho tải qua bộ nghịch lu.
b. UPS chuyển đổi đơn:
Cấu tạo của loại UPS này không có bộ chỉnh lu/nạp cho ắc quy. Chính xác
hơn thì bộ nghịch lu của UPS này có khả năng chuyển đổi hai chiều. Khi mà
nguồn đang cung cấp thì bộ nghịch lu đa năng lợng từ nguồn nạp vào ắc quy (

nếu cần ). Đến khi nguồn bị ngắt, ắc quy sẽ cung cấp năng lợng cho tải thông
qua bộ nghịch lu. Dới đây là sơ đồ nguyên lý :

Không giống nh UPS chuyển đổi kép, loại UPS này không thể truyền năng
lợng cho tải khi mà nguồn vẫn đang cung cấp. Chính vì đặc thù này mà UPS
chuyển đổi đơn có hiệu quả kinh tế hơn UPS chuyển đổi kép.
Tuy nhiên các tải u tiên của UPS này phải chịu đợc sự thay đổi về nguồn
cấp hơn là tảI của UPS chuyển đổi kép.


2. UPS quay.
Là UPS sử dụng máy điện làm chức năng nghịch lu.

3. UPS gián tiếp ( Off line ) vµ UPS trùc tiÕp ( On – line ).
a. UPS gi¸n tiÕp ( Off – line ):
Là loại UPS bộ nghịch lưu không chèn trực tiếp vào giữa tải và nguồn
cung cấp mà được nối như một mạch cung cấp song song với nguồn chính
và ln ở trạng thái standby. Ở điêu kiện bình thường nó khơng cung cấp
nguồn cho tải tiêu thụ mà chỉ hoạt động khi nguồn cung cấp chính có sự cố.
Khi vận hành bình thường nguồn cấp điện trực tiếp cho tải qua bộ lọc F
mà qua bộ nghich lưu. Khi xảy ra sự cố ở hệ thống cung cấp hoặc điện áp
hệ thống nằm ngoài giới hạn cho phép tải sẽ được từ bộ nghịch lưu sau một
thời gian chuyển đổi rất ngắn cỡ 10ms. Tuy nhiên sự chuyển mạch này vẫn
không đáp ứng được với các loại tải nhạy cảm như máy tính, các thiết bị
truyền tin… Sơ đồ này thường chỉ áp dụng cho các tải công suất nhỏ dưới
2kVA.

b. UPS trùc tiÕp ( On - line ):
Ở loại UPS này bộ nghịch lưu được chèn vào giữa hệ thống cung cấp
và thiết bị tiêu thụ. Ở trạng thái làm việc bình thường bộ chỉnh lưu cung

câp nguồn để nạp acquy và bộ nghịch lưu. Khi nguồn cung cấp xảy ra sự
cố (mất nguồn cung cấp hoặc điện áp nằm ngoài giới hạn cho phép) bộ
nghịch lưu sẽ tiêu thụ điện năng từ acquy và do đó đảm bảo sụ cung cấp
liên tục cho tải. Toàn bộ nguồn cung câp cho tải phải đi qua bộ nghịch lưu
do đó đảm bảo việc cung cấp liên tục, chất lượng điện năng về điện áp,


dạng sóng, tần số… khơng phụ thuộc vào sự biến động của nguồn cung
cấp.
Ngồi ra loại UPS này thường cịn được cung cấp thêm một công tắc
chuyển mạch tĩnh (static switch) đảm bảo cung cấp điện liên tục trong
trường hợp UPS có vấn đề hoặc cần phải bảo dưỡng, sửa chữa.
Sơ đồ UPS này đảm bảo chất lượng điện và độ tin cậy cao nhưng giá
thành cao và được ứng dụng với cơng suất trung bình và lớn trên 40KVA.

D. Cấu trúc UPS :
1. Các thành phần chính của UPS:

Mt hệ thống UPS hoàn chỉnh gồm một số phần tử chớnh cho ở hình trên :
a) ng dõy vo(AC input): Một UPS đầy đủ thường có 2 đầu vào
độc lập từ hệ thống cung cấp.
- Hệ thống cung cấp 1 (HTCC1): Là đường vào bình thường
cung cấp cho chỉnh lưu nạp.
- Hệ thống cung cấp 2 (HTCC2): Cung cấp cho chuyển mạch
tĩnh (theo by-pass).
Chuyển mạch tĩnh cho phép tải được chuyển tức thời qua đường
by pass lúc cần thiết. Việc nối 2 nguồn cung cấp độc lập vào UPS
sẽ làm tăng độ tin cậy tuy nhiên cũng có thể sử dụng đường vào
chung.

b) Bộ chỉnh lưu n¹p: Biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một
chiều cung cấp trực tiếp cho bộ nghịch lưu (trong UPS online) và
nạp thường xuyên cho acquy ( đối với tất cả các loại UPS).
c) Bộ acquy: Dùng để dự trữ điện năng dùng vào lúc các nguồn cung
cấp chính gặp sự cố ( mất nguồn hay chất lượng nguồn giảm
xuống dưới mức cho phép) . Dung lượng của acquy sẽ quyết định
thời gian mà UPS có thể cung cấp nguồn liên tục cho thiết bị sau
khi nguồn bị ngắt.
d) Bộ nghịch lưu: Nghịch lưu điện từ acquy hay từ bộ chỉnh lưu để
cung cấp cho thiết bị tiêu thụ. Bộ nghịch lưu phải đảm bảo ổn
định tần số, điện áp và công suất cung cấp cho thit b.
e) Đờng song song với chuyển mạch tĩnh: Chuyển đổi tải của UPS từ
bộ nghịch lu sang hệ thống cung cấp 2 mà không làm gián đoạn
cung cấp điện cho tải. Việc chuyển đổi này xảy ra khi nghịch lu
ngừng hoạt động vì các lý do:
- Bảo dỡng.
- Quá tải.
- Sự cố bên trong.
f) ng cung cp úng cắt bằng tay : Sử dụng cơng tắc đóng mở
bằng tay để cấp điện cho tải theo hệ thống cung cấp 2 khi yêu cầu
bảo dưỡng.
g) Máy biến áp cách ly: Được đưa vào với mục đích cách ly tải với
hệ thống cung cấp 2, nó thường được sử dụng khi điển nối đất của
hệ thống vào và ra của UPS là khác nhau.
h) Chuyển mạch bằng tay, thiết bị đóng cắt acquy: Dùng để cách ly
các bộ phận trong quỏ trỡnh bo dng.
2. Các thiết bị khác:
Ngoi cỏc b phận chính đã nói ở trên, UPS có thể cịn có thêm một số chi
tiết khác như sau:

 Thiết bị phân phối và bảo vệ.
 Thiết bị cách ly, máy biến áp tạo điện áp phù hợp với tải.
 Hệ thống điều khiển, cảnh báo, hiện thị, điều khiển xa. UPS cịn có
thể được trang bị thêm hệ thống chẩn đoán tự động, tự động kiểm
tra trạng thái của các bộ phận khác. Ví dụ kiểm tra trạng thái của
acquy…
I.Chỉnh lưu cầu 1 pha :


Mạch chỉnh lưu gồm 4 van D1 → D4 đấu thành 2 nhóm
D1D3 đấu Katot chung
D1D3 đấu Anot chung
Nguồn xoay chiều đưa vào mạch van có thể lấy trực tiếp từ lưới điện hoặc thông qua máy biến
áp .
Trong nửa chu kì đầu 0 → π điẹn áp u2 > 0 với cực tính khơng trong ngoặc trên đồ Ta thấy
nhóm Katot chung D1D3 thì Anot D1 là dương hơn anot D3 vì vậy D1 sẽ dẫn . Cịn ở nhóm
D2D4 thì Katot D2 âm hơn Katot D4 vì vậy D2 dẫn .
Như vậy nửa chu kì đầu D1D2 dẫn . Trong nửa chu kì sau ( π → 2π ) điện áp u2 <0 với
cực tính đảo lại ( trong dấu ngoặc ) , lý luận tương tự ta tháy Diod D3 D4 dẫn , cịn Diod D1D2
khóa .
( Đồ thị );
Đối với điện áp ra tải ta luôn thấy điểm a trong cả hai nửa chu kì đều được nối với cực tính
dương (+) của nguồn và điểm b ln được nối với cực tính âm (-) của u2 . Vì vậy điện áp ra tải
ud của chỉnh lưu hình tia 2 pha ta thấy chúng hồn tồn giống nhau , do đó ta cũng có :

Ud =

2 2
.U 2 = 0.9U 2
π

U
Id = d
Rd

Dòng điện qua mỗi Diod cũng chỉ tồn tại trong một nửa chu kì do đó I tbv =

Ud
, tương tự
Id

như sơ đồ trên .
Tuy nhiên điện áp ngược trên van đang khóa khơng tương tự . Giả sử D1 D2 , D3D4 khóa ,
ta có sơ đồ thay thế như sau
( Sơ đồ )
Rõ ràng hai Diod D3D4 đấu song song với nhau và nối thẳng vào nguồn U2 . Vì thế điện áp
ngược trên chúng chỉ bằng điện áp nguồn U2 :
U ngV max = 2.U 2
Chỉnh lưu cầu một pha được sử dụng khá rộng rãi trong thực tế , nhất là với điện áp trên 10 V
, dịng tải có thể đến 100 A . Ưu điểm của mạch là có thể khơng cần biến áp . Nhược điểm của
nó là có 2 diod tham gia dẫn dịng : Diod nhóm lẻ dẫn dịng ra tải , diod nhóm lẻ dẫn dịng từ
tải về nguồn . Như vậy sẽ có sụt áp do 2 diod gây ra , chỉnh lý do này làm cho mạch cầu
khơng thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp dưới 10 V khi dòng tải lớn .
II. Chỉnh lưu điều khiển sơ đồ cầu 1 pha :
Với sơ đồ điều khiển , khi thay các diod của sơ đồ chỉnh lưu 1 pha bán điều khiển bằng các
thyristor , ta cần phát xung theo cặp và phải đồng thời như hình vẽ :


Dang điện áp nhận được trên tải sẽ hoàn toàn tương tự cho trường hợp mạch chỉnh lưu 2 pha
hình tia , vì vậy quy luật điều chỉnh điện áp ud tuân theo biểu thức sau :
1 + cosα

Ud = Ud 0
2
U d 0 = 0.9U 2
Với
III. Chỉnh lưu cầu bán điều khiển, thyristor mắc catơt chung :
Nhóm catơt chung là các thyristor nên chúng được mở ở các thời điểm α của nó. Nhóm anơt chung là
van diode nên chúng luôn mở tự nhiên theo điện áp nguồn: Đ1 mở khi u 2 bắt đầu âm; Đ2 mở khi u 2
bắt đầu dương. Do vậy sự dẫn của các van trong một chu kỳ là :
• Trong khoảng α ÷ π : T1Đ2 dẫn
• Trong khoảng π ÷ ( π + α ) : T1D1 dẫn do ở π, Đ1 mở tự nhiên làm Đ2 khóa
• Trong khoảng ( π + α ) ÷ 2π : T2Đ1 dẫn, T2 được phát xung mở ở thời điểm ( π + )
lm cho T1 khúa.
ã Trong khong 2 ữ ( 2π + α ) : T2Đ2 dẫn, Đ2 mở tự nhiên ở thời điểm 2π

Qua đây ta thấy có hai đoạn có hiện tượng dẫn thẳng hàng của hai van : T 1Đ1 và T2Đ2, do đó ở
những giai đoạn này tải bị ngắn mạch nên u d = 0 ( các đoạn còn lại ud bám theo điện áp


nguồn). Như vậy dòng id vẫn liên tục, song dòng i2 lại đứt đoạn do dòng tải id chảy quẩn qua
hai van thẳng hàng mà không về nguồn. Điều này có lợi về khía cạnh năng lượng, vì năng
lượng khơng bị trả về nguồn mà giữ lại trong tải.
Dạng điện áp ud giống như chỉnh lưu điều khiển với tải thuần trở , do vậy quy luật ud là:
1 + cos α
1 + cos α
U dα = U d 0
= 0,9U 2
2
2
Dòng tải :
U

I d = dα
Rd
Các van dẫn một khoảng đều nhau là π, do vậy trị số trung bình của dịng qua van dẫn là Id/2

IV.Chỉnh lưu bán điều khiển , thyristor mắc thẳng hàng .
Trong sơ đồ này diod D1D2 vẫn tự nhiên ở đầu các nửa chu kì : D1 mở khi u2 âm ; mở khi u2
dương . Các thyristor theo góc mở α . Tuy nhiên các van khóa theo kháo theo nhóm D1 dẫn sẽ
làm T1 ( cùng nhóm Katot chung ) khóa , T1 dẫn thì D1 bị khóa . Tương tự D2 dẫn thì T2 khóa và
ngược lại .


Do vậy có các giai đoạn là :
+ Trong khoảng α → π : T1 D2 dẫn , ud = u2
+ Trong khoảng α → (π + α ) : D1D2 dẫn , D1 dẫn ở π và làm T1 khóa , T2 chưa dẫn nên D2
cịn mở chưa khóa .
+ Trong khoảng π + α → 2π thì T2D1 , T1 dẫn làm D2 khóa ud = - u2 .
+ Trong khoảng 2π → (2π + α ) thì T D dẫn .
2

2

Ta lại thấy có 2 đoạn có van mắc thẳng hàng dẫn với nhau là D1D2 tải lại bị ngắn mạch nên vẫn
có ở các đoạn này :
Ud = 0
Dạng điện áp ud tương tự như sơ đồ trước nên :
1 + cosα
U dα = 0.9U 2
2
U
I d = dα

Rd
Song đồ thị dẫn của van cho thấy chúng dẫn không đều nhau :
Thyristor dẫn trong khoảng (π − α ) .
Diod dẫn trong khoảng (π + α )
Vì vậy dịng trung bình qua van là :
π
1
π −α
I tbThyristor =
∫ I d .dθ = 2π .I d
2π α
π +α

1
π +α
I tbDiod =
∫ I d .dθ = 2π .I d
2π 0
I. CHỈNH LƯU CẦU 3 PHA ĐỐI XỨNG :
Sơ đồ nguyên lý của chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng :


1. Giải thích sơ đồ :
+ Nguồn cung cấp : Nguồn xoay chiều 3 pha
Điện áp thứ cấp
Ua = 2 U2. sin(ωt ) V
2π
Ub= 2 U2. sin(ωt + ) V
3
2π

Uc = 2 U2. sin(ωt − ) V
3
+ Tải : Gồm Rd nối tiếp với Ld ( Tải có tính cảm )
+Bộ biến đổi : Sơ đồ cầu 3 pha gồm :
* . T1 , T3 ,T5 được đấu chung Katot , chúng có đặc điểm :
• Khi các Thyristor đấu chung Katot , người ta chỉ quan tâm đến thế Anot của các van . Khi
Anot của van nào bắt đầu có thế dương hơn so với Anot của các van cịn lại thì mới được
phép phát xung điều khiển vào để mở van đó . Điểm phát xung điều khiển này được gọi
là điểm gốc để đóng góc mở van ( α ) cho Thyristor ấy .
• T1 , T3 ,T5 hình thành chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha Katot chung có nguồn cung cấp
là Ua Ub Uc và mạch tải của chỉnh lưu này là hai điểm K , O . Ký hiệu Ud1 = Uko
*.Đối với nhóm T2, T4 ,T6 (đấu anot chung ) thì có đặc điểm như sau :
• Khi đấu van anot chung người ta chỉ quan tâm tới thế Katot của các van . Khi Katot của
van nào có thế âm hơn so với thế Katot của các van còn lại thì mới được phép phát xung
điều khiển vào van đó . Điểm ấy được gọi là điểm gốc để tính góc mở chậm α cho
Thyristor đấu Anot chung .


•

T2, T4 ,T6 cũng hình thành nên chỉnh lưu điều khiển tia 3 pha Anot chung có nguồn cung
cấp là Ua , Ub , Uc . Và mạch tải của chỉnh lưu này là 2 điểm A và O . Ký hiệu Ud2 = UAO .

Vậy chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu 3 pha thực chất là 2 chỉnh lưu điều khiển điều khiển đối
xứng tia 3 pha , một đấu Katot chung , một đấu Anot chung được đấu nối tiếp nhau có cùng
nguồn cung cấp ,cịn mạch tải nối tiếp nhau .
b)Các giả thiết :
+ Máy biến áp 3 pha lý tưởng nghĩa là coi điện cảm tản ,tương hỗ , điện trở dây dẫn không
đáng kể ( ; 0 ) , ta chỉ kể đến điện cảm của lõi thép .
+ Van bán dẫn công suất lý tưởng có nghĩa là khi van thơng điện trở van Rv =0 ( hay khơng có

điện áp điện áp rơi trên van(∆U = 0 ) . Khi van đóng điện trở van Rv = ∞ (điện trở rơi toàn bộ
trên van ).
2. Nguyên lý làm việc :
- Vẽ đồ thị điện áp nguồn cung cấp cho toàn bộ nguồn chỉnh lưu
Ua = 2 U2. sin(ωt ) V
2π
Ub= 2 U2. sin(ωt + ) V
3
2π
Uc = 2 U2. sin(ωt − ) V
3
- Xác định điểm gốc để tính góc α cho các van
• Nhóm đấu Katot chung
O1 là điểm gốc tính góc α cho T1
O3 là điểm gốc tính góc α cho T3
O5 là điểm gốc tính góc α cho T5
O7 là điểm gốc tính góc α cho T1
• Nhóm van đấu Anot chung
O2 là điểm gốc tính góc α cho T2
O4 là điểm gốc tính góc α cho T4
O6 là điểm gốc tính góc α cho T6
O8 là điểm gốc tính góc α cho
-Xác định thời điểm phát xung điều khiển vào van ứng với góc α cho trước ( α = 900 )
Xung điều khiển phát vào T1 ⇒ T1 thông . Ua qua T1 đặt vào điểm K
⇒ Ud1 = UKO =Ua
Khi Ua = 0 ⇒ Ud1 = 0 ⇒ dịng điện tải ln có xu hướng giảm . Do trong tải ln ln có
Ld nên cuộn cảm này sẽ sinh ra sức điện động chống lại sự giảm của dịng điện tải nên T1
vẫn tiếp tục thơng khi Ua < 0 . Cuộn cảm lý tưởng thì thời gian nạp bằng thời gian phóng
năng lượng .
Đến thời điểm α3 có xung điều khiển phát vào T3 lúc này khi T1 cịn thơng Katot T3 đang

mang thế Ua còn Anot T3 đang mang thế Ub mà lúc này Ua < Ub
nghĩa là UT3 = Uba >0 ⇒ T3 thông .


Khi T3 thông Ub qua T3 đặt vào K , như vậy Katot của T1 bây giờ amng thế của Ub còn
Anot của T1 mang thế của Ua . Do Ua < Ub nên Uab <0 ⇒ T1 khoá lại
⇒ UKO = Ud1 =Ub > 0 .
Khi Ub = 0 hiện tượng vật lý xảy ra giống như Ua = 0 . Đến α5 có xung điều khiển phát
vào T5 lúc này UT5 = Ucb > 0 ⇒ T5 thông .
UT3 = UBC <0 ⇒ T3 thông .
UT1 = UAC <0 ⇒ T1 thơng .
Bằng phương pháp phân tích tương tự vẽ được Ud2 .
-Vẽ Ud = UKA
Lấy thời điểm chuyển mạch giữa các van làm mốc thời gian .
Xét trong đoạn từ 0 → α6 có T5 và T4 thơng , dịng tải id khép mạch như sau :
U5 → T5 → Rd → Ld → T4 → U3
Uc qua T5 đặt vào K
Ua qua T4 đặt vào A
suy ra Ud = U KA =Uca > 0
-

Vẽ đồ thị điện áp dây Ud
Xét đoạn α6 → α1 thì T5 và T6 thông
Uc qua T5 đặt vào K
Ub qua T6 đặt vào A
Ud = UKA = Ucb
Cứ theo cách lập luận như vậy ta vẽ được các đoạn đồ thị còn lại của Ud
- Vẽ đồ thị dòng điện một pha của máy biến áp
Ví dụ ta vẽ dongf điện pha A của máy biến áp
ia = iT3 + iT4

T1 cùng dẫn dòng tải id với hoặc T6 hoặc T2
Khi T1 thơng cùng T6 thì dịng điện khép mạch như sau ;
Ua → T1 → Rd → Ld → T6 → Ub
Dịng này có chiều cùng chiều qui ước ia suy ra ia = id = iT1 >0
Khi T1 thông cùng T6 thì dịng điện khép mạch như sau :
Ub → T3 → Rd → Ld → T4 → Ua .
Dịng này có chiều ngược chiều qui ước ia
ia = iT4 = i d < 0 .
-

Vẽ UT1
Khi T1 thông thì UT1 = 0
Khi T3 thơng thì UT1 = Uab >0
Khi T5 thơng thì UT1 = Uac <0

3. Các biểu thứ liên quan
3.1. Quan hệ giữa Ud , U2 với góc α


- Quan sát đồ thị Ud1 = UKO ; Ud2 = UAO đối xứng nhau qua trục hoành .
- Nếu ta tìm được Ud1 = UKO thì ta có thể suy ra được Ud2
- Căn cứ vào đồ thị Ud1 , lấy Ua làm gốc tìm giá trị trung bình của Ud1 theo công thức
sau :
3.1
2π

5π
+α
6

∫

2.U 2 .sin(ωt ).d (ωt ) =

π
+α
6

3 6
.U 2 .cosα
2π

3 6
Tương tự ta tìm được : U d 2 =
.U 2 .cosα
2π
Suy ra Ud = Ud1 + Ud2 =

3. 6
.U 2 .cosα
π

⇒ Udmax = 3. 6 .U 2
π
Từ công thức này ta rút ra nhận xét như sau :
π
+ khi 0 ≤ α ≤ thì 0 ≤ U ≤ U dmax trong khoảng này sơ đồ làm việc ở chế độ chỉnh lưu .
2
π
+ khi ≤ α ≤ π thì −U dmax ≤ U ≤ 0 trong khoảng này sơ đồ làm việc ở chế độ nghịch

2
lưu phụ thuộc
3.2. Chức năng của sơ đồ
+ Với U2 = const thì thay đổi góc α ⇒ thay đổi Ud ⇒ làm thay đổi id ⇒ chức năng điều
chỉnh cơng suất .
+Với U2 thay đổi thì việc thay đổi góc α để giữ cho Ud = const ⇒ chức năng của sơ đồ này
là ổn áp một chiều .
3.3. Chọn van bán dẫn công suất
Căn cứ vào đồ thị iT1 và iT4 ta tìm được giá trị dịng điện trung bình qua van theo cơng thức
sau :
I tbt =

1
2π

2π
3

∫I
0

d

.d (ωt ) =

Id
3

I dmax
3

Căn cứ vào đồ thị điện áp ngược đặt lên van ta tìm được giá trị biên độ điện áp ngược đặt lên
van ( UT1)
Ung max th = 6.U 2
Thay giá trị U2 vào ta suy ra được
π U dmax
= 1.05.U dmax
Ung max th =
3
4 . Thiết kế tính cơng suất máy biến áp 3 pha
4.1. Trường hợp sơ đồ làm chức năng điều chỉnh công suất
Công suất Pdmax ứng với α= 0
So sánh ua và i ta suy ra được ϕba = α
Khi α= 0 thì Pba max , Qba =0 ;
⇒ I tbmaxt =


3U I .I I + 3.U 2 .I 2
2
Trong sơ đồ cầu thì đồ thị dịng điện bên sơ cấp và thứ cấp hoàn toàn trùng nhau ia = iA
để đơn giản trong tính tốn ta coi hệ sồ biến đổi của máy biến áp n =1 .
Suy ra
Sba = 3U I .I I = 3.U 2 .I 2
Căn cứ vào đồ thị ia ta tìm được giá trị dịng điện hiệu dụng bên thứ cấp biến áp
Sba =

I2 =

1
π

2π
3

∫I

2
d

.d (ωt ) = I d .

0

I 2 max = I dmax

2
3

2
3

Suy ra
I . 2
π U
Sbamax = 3.U 2. I 2 = 3. . dmax . dmax.
3
6
3
π
⇒ Sbamax = .Pdmax = 1.05 Pdmax
3

4.2. Trường hợp sơ đồ làm nhiệm vụ ổn áp một chiều
π
π
2
2
Sba = Pba + Qba = .Pd . 1 + tan 2 ϕba = .Pd . 1 + tan 2 α (vì ϕba = α )
3
3
π
Sbamax = .Pd . 1 + tan 2 α max
3

5. Các đồ thị :


II. CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN KHÔNG ĐỐI XỨNG CẦU 3 PHA
1.Sơ đồ nguyên lý


a) Giải thích
T1 , T2 , T3 là các Thyristor
D1 , D2 ,D3 là các diode bán dẫn .
+D1 , D2 ,D3 hình thành chỉnh lưu khơng đối xứng tia 3 pha Anot chung (α = 0 )
+D1 , D2 ,D3 có thể đấu Katot chung mà khơng ảnh hưởng đến bản chất vật lý của sơ đồ .
b) Các giả thiết
Các thyristor T1 , T2 , T3 và các Diod D1 , D2 ,D3 là lý tưởng .
Máy biến áp lý tưởng , khơng có tổn hao , khơng có dịng rị , và dịng tản .
2. Ngun lý làm việc của sơ đồ
-Vẽ đồ thị nguồn điện áp cấp cho bộ chỉnh lưu :
+Xác định điểm gốc để tính góc α

+Xác định thời điểm phát xung điều khiển vào van ứng với α cho trước
đối với T1 , T2 , T3 thì ta chọn α = 900
đối với D1 , D2 ,D3 thì ta chọn α = 0
+Vẽ đồ thị Ud1 = UKO = ; Ud2 = UAO
+Vẽ đồ thị Ud lấy thời điểm chuyển mạch dòng điện giữa van làm mốc
.Xét đoạn từ O → O2 có T3 và D2 thơng để dẫn dịng tải id . Uc qua T3 đặt vào K,
Ub qua D2 đặt vào A .
Ud = UKA = Ucb >0
- Đến thời điểm O2 lúc này Uc cắt Ub ⇒ Ud = 0 . Lúc này dịng id có xu hướng
giảm ⇒ cuộn kháng Ld sinh ra suất điện động để chống lại sự giảm của id . Suất
điện động này có cực tính (+) ở A và (-) ở K đều đặt thuận lên các van Thyristor
nối nối tiếp với các Diod . Do T3 đang cịn thơng nên dịng điện do suất điện
động ày sinh ra sẽ khép mach như sau :
Ld → D3 → T3 → Rd → Ld
Vì T3 và D3 cũng cơng Ud vẫn bằng 0 .
•


- Đến thời điểm α1 có xung điều khiển phát vào T1 lúc này thế Katot của T1 dang
mang thế Uc , thế Anot cua T1 đang mang thế Ua mà Ua >Uc suy ra UT1 = Uac >0
T1 thông thì Ua qua T1 đặt vào K làm cho UT3 = Uba <0 làm T3 khoá từ α1 trở đi chỉ
cịn T1 và D3 thơng dẫn dịng tải id
•

Xét đoạn từ α1 → O4 thì có T1 và D3 thơng
Ud = UKA = Uac

•

Xét đoạn từ O4 → α2 thì Ud = 0 do T1 và D1 cùng thông ( do cuộn kháng phát

sinh ra dòng điện chống lại sự thay đổi của U .

-Vẽ ia = iT1 +iD1
Khi T1 thơng với D3 thì ia = id >0
Khi T1 thơng với D1 thì ia =0
Khi D1 cùng thơng với T2 thì ia = id <0
Qua đồ thị ia cũng bằng phương pháp phân tích Furrier ta tìm được ia1
α
α
ϕba =
và cosϕ ba = cos
2
2
-Vẽ UD1
Khi D1 thơng thì UD1 = 0
Khi D2 thông UD1 = Uba <0
Khi D3 thông UD1 = Uca <0
3. Quan hệ giữa Ud , U2 và α
Căn cứ vào đồ thị Ud1 = UKO lấy Ua làm gốc tính được giá trị trung bình của Ud1
U d1 =

5π
6

1
.3.
2π π ∫
6

2.U 2 .sin(ωt ).d (ωt ) =

+α

3 6.U 2
.cosα
2π

Chuyển gốc toạ độ đến O’ tính được giá trị trung bình của Ud2
5π

Ud 2

1 6
=
.3 ∫
2π π

2.sin(ωt ).d (ωt ) =

3 6
.U 2
2π

6

⇒ U d = U d1 + U d 2 =
Nhận xét
•

3 6

.U 2 .(1 + cosα )
2π

Chế độ làm việc trong dải
0 ≤α ≤π
0 ≤ U d ≤ U dmax với U dmax = 3 6 .U 2
π


Trong dải này sơ đồ làm việc ở chế độ chỉnh lưu
• Chức năng
- Với U2 khơng đổi việc thay đổi góc α để điều chỉnh cơng suất từ phía dịng
xoay chiều sang phía dịng một chiều
- Với U2 thay đổi ( lưới điện biến động mạnh ) việc thay đổi góc mở α để giữ cho
Ud khơng đổi (chức năng ổn áp một chiều ).

3 6
.U 2 suy ra
π
π .U dmax
U2 =
3 6
Ta so sánh giá trị này với giá trị của UI xem có phải dùng máy biến áp 3 pha hay
không .
4.Chọn van
- Chọn Diod
Từ đồ thị iD1 ta tìm được
U dmax =

I tbD1 =

1
2π

2π
3

∫I

d

.dθ =

0

Id
3

với θ = ωt

I dmax
3
Từ đồ thị Ud1 ta cũng tìm được giá trị biên độ điện áp ngược đặt lên Diod
π
U ngmaxth ( D) = U dmax
3
- Chọn Thyristor
Cũng tương tự như phần trước ta có được
I
I tbmaxth (T ) = dmax

3
π
U ngmaxtb (T ) = .U dmax
3
5.Tính cơng suất máy biến áp
a) Chức năng điều chỉnh công suất
Chế độ “nặng nề “ nhất khi α = 0 .
với trường hợp này ta cũng tính được
π
Sba = .Pdmax
3
b) Chức năng ổn áp một chiều
α
α
ϕba = ⇒ cosϕba = cos
2
2
Lúc này
α
π
Sba = .Pd 1 + tan 2 ( max )
3
2
⇒ I tbmaxth ( D ) =


6. Các đồ thị :


SO SÁNH 2 SƠ ĐỒ

Chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha đối xứng
1.Chế độ
+Chỉnh lưu
+Nghịch lưu phụ thuộc
2.Chức năng
+Điều chỉnh cơng suất từ 2 phía
+ Ổn áp một chiều
3. Dải điều chỉnh
0 ≤ U d ≤ U dmax
0 ≤α ≤

π
2

4.Hiệu suất
cosϕba = cosα
5.Kinh tế
6 Thyristor
Đắt tiền
6.Trọng lương kích thước
Gọn nhẹ hơn

Chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha không đối
xứng
1.Chế độ
+ Chỉnh lưu
2.Chức năng
+Điều chỉnh cơng suất 1 phía
+Ổn áp một chiều
3. Dải điều chỉnh

0 ≤ U d ≤ U dmax
0 ≤α ≤π
nhận thấy dải điều chỉnh này rộng hơn nên
nó có thể điều chỉnh chính xác hơn .
4.Hiệu suất
α
cosϕba = cos
2
hiệu suất ở đây cao hơn
5. Kinh tế
3Thyristor + 3 Diod
Rẻ hơn về mặt kinh tế
6.Trọng lương kích thước
Trọng lượng khích thước to lớn hơn do càn
có bộ lọc .

Chương III Lựa chọn phương án tối ưu và tính tốn mạch lực
1. Các phương án thiết kế bộ chỉnh lưu cho UPS:
Hiện nay mạch có rất nhiều mạch chỉnh lưu để biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp 1
chiều . Các mạch chỉnh lưu có thể có là mạch chỉnh lưu 1 pha , 3 pha , 6 pha … Sau đây em
xin giới thiệu một số mạch chỉnh lưu thông dụng .
1.1. Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng :
1.1.1. Sơ đồ


1.1.2. Giải thích sơ đồ :
Mạch gồm 6 Thyristor được chia thành 2 nhóm :
•
Nhóm đấu chung Katot: T1 ,T3,T5 .
•

Nhóm đấu chung Anot : T2 , T4 ,T6 .
* . T1 , T3 ,T5 được đấu chung Katot , chúng có đặc điểm :
Khi các Thyristor đấu chung Katot , người ta chỉ quan tâm đến thế Anot
của các van . Khi Anot của van nào bắt đầu có thế dương hơn so với Anot của các van còn
lại thì mới được phép phát xung điều khiển vào để mở van đó . Điểm phát xung điều khiển
này được gọi là điểm gốc để đóng góc mở van ( α ) cho Thyristor ấy .
T1 , T3 ,T5 hình thành chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha Katot chung có
nguồn cung cấp là Ua Ub Uc và mạch tải của chỉnh lưu này là hai điểm K , O . Ký hiệu Ud1 =
Uko
*.Đối với nhóm T2, T4 ,T6 (đấu anot chung ) thì có đặc điểm như sau :
+ Khi đấu van anot chung người ta chỉ quan tâm tới thế Katot của các van . Khi
Katot của van nào có thế âm hơn so với thế Katot của các van cịn lại thì mới được phép
phát xung điều khiển vào van đó . Điểm ấy được gọi là điểm gốc để tính góc mở chậm α
cho Thyristor đấu Anot chung .
+T2, T4 ,T6 cũng hình thành nên chỉnh lưu điều khiển tia 3 pha Anot chung có
nguồn cung cấp là Ua , Ub , Uc . Và mạch tải của chỉnh lưu này là 2 điểm A và O . Ký hiệu
Ud2 = UAO .
+ Tải : Gồm Rd nối tiếp với Ld ( Tải có tính cảm)
1.13. Các đường đặc tính biểu diễn .


Nhận xét :
Với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng ta thấy :
+ Điện áp đập mạch ít (6 lần/chu kì )
+ Điện áp ngược đặt lên các van nhỏ .
+Công suất máy biến áp nhỏ .
+Mạch phức tạp .