Thiết kế bộ điều áp xoay chiều một pha

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

MỤC LỤC

1


G
G

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG.

K

K
TIRISTOR:
1. Cấu tạo:
Tiristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn PNPN liên tiếp tạo nên anot, katot và cực điều
I.

khiển.

Hình 1.1: a. Cấu tạo của tiristor.
b. Kí hiệu của tiristor.
Trong đó: A: anot.
B: katot.
G: cực điều khiển
J1, J2, J3: các mặt ghép.
Tiristor gồm 1 đĩa Silic từ đơn thể loại N, trên lớp đệm loại bán dẫn P có cực điều
khiển bằng dây nhôm,các lớp chuyển tiếp được tạo nên bằng kỹ thuật bay hơi của Gali.

2


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Lớp tiếp xúc giữa anot và katot là bằng đĩa molipden hay tungsen có hệ số nóng chảy gần
bằng với Gali. Cấu tạo dạng đĩa kim loại để dễ dàng tản nhiệt.
2. Nguyên lý hoạt động:

Đặt tiristor dưới điện áp một chiều, anot nối vào cực dương, katot nối vào cực âm của
nguồn điện áp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược. Gần như toàn bộ điện áp nguồn
đặt trên mặt ghép J2. Điện trường nối tại Ed của J2 có chiều từ N1 hướng về P2. Điện
trường ngoài tác động cùng chiều với E i vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng
mở rộng ra không có dòng điện chạy qua tiristor mặc dù nó bị đặt dưới điện áp.

I

Uz

IH
0

Uch

U

Hình 1.2: Đặc tính Volt-ampe của tiristor.
•

Mở tiristor:

Cho một xung điện áp dương Ug tác động vào cực G (dương so với K), các
điện tử từ N2 sang P2. Đến đây, một số ít điện tử chảy vào cực G và hình thành
dòng điều khiển Ig chạy theo mạch G – J3 – K – G còn phần lớn điện tử chịu
sức hút của điện trường tổng hợp của mặt ghép J 2 lao vào vùng chuyển tiếp
này, tăng tốc, động năng lớn bẻ gãy các liên kết nguyên tử Silic, tạo nên điện
tử tự do mới. Số điện tử mới được giải phóng tham gia bắn phá các nguyên tử
Silic trong vùng kế tiếp. Kết quả của phản ứng dây chuyền làm xuất hiện nhiều
điện tử chạy vào N1 qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài, gây nên

3


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
hiện tượng dẫn điện ào ạt, J2 trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ một điểm
ở xung quanh cực G rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép.
Điện trở thuận của tiristor khoảng 100KΩ khi còn ở trạng thái khóa, trở
thành 0,01Ω khi tiristor mở cho dòng chạy qua.
Tiristor khóa +U AK > 1V hoặc Ig > Igst thì tiristor sẽ mở. Trong đó I gst là dòng
điều khiển được tra ở sổ tay tra cứu tiristor.
ton: Thời gian mở là thời gian cần thiết để thiết lập dòng điện chạy trong
tiristor, tính từ thời điểm phóng dòng Ig vào cực điều khiển. Thời gian mở
tiristor kéo dài khoảng 10µs.
• Khóa tiristor: Có 2 cách:
- Làm giảm dòng điện làm việc I xuống dưới giá trị dòng điện duy trì I H
-

(Holding Current).
Đặt một điên áp ngược lên tiristor. Khi đặt điện áp ngược lên tiristor:
UAK <0, J1 và J3 bị phân cực ngược, J2 phân cực thuận, điện tử đảo chiều
hành trình tạo nên dòng điện ngược chảy từ katot về anot, về cực âm của

nguồn điện ngoài.
Tiristor mở +UAK <0 → tiristor khóa.
Thời gian khóa toff : là thời gian từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược

(t0) đến dòng điện ngược bằng 0 (t2), toff kéo dài khoảng vài chục µs.
• Xét sự biến thiên của dòng điện i(t) trong quá trình tiristor khóa:
I

t1 t2

t0

T

Hình 1.3: Sự biến thiên của dòng điện i(t) trong quá trình tiristor khóa.

Từ t0 đến t1 dòng điện ngược lớn, sau đó J 1, J3 trở nên cách điện. Do hiện tượng khuếch
tán một ít điện tử giữa hai mặt J1 và J3 ít dần đến hết. J2 khôi phục tính chất của mặt ghép
điều khiển.
3. Ứng dụng:

Tiristor được sử dụng trong các bộ nguồn đặc biệt: trong mạch chỉnh lưu, bộ băm và
trong bộ biến tần trực tiếp hoặc các bộ biến tần có khâu trung gian một chiều.
4


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Ứng dụng tiristor trong mạch điều khiển tốc độ động cơ.
Chuyển mạch tĩnh.
Khống chế pha.

Nạp ắc qui.
Khống chế nhiệt độ.
II.
TRIAC:
1. Cấu tạo:
Triac là thiết bị bán dẫn ba cực, bốn lớp có đường đặc tính Volt – ampe đối xứng, nhận
-

góc mở α cho cả hai chiều. Triac được chế tạo để làm việc trong mạch điện xoay chiều,
có tác dụng như 2 SCR đấu song song ngược.

Hình 2.1: a. Cấu tạo của triac.
•

Kí hiệu của triac.

I

( I ) : T1 dương
Triac được chế tạo trên cùng một đơn tinh thể gồmTrạng
hai cực
chỉ có một cực điều khiển.
tháivàdẫn
Ig2 > Ig1
2. Nguyên lý làm việc:
Ig = 0 : Trạng thái khóa
T1 là gần với cực điều khiển G.
0

- Ut

Ut
UB2 UB1 UB0

( III ) : T2 âm

- It
5

Hình 2.2: Đặc tính Volt – ampe của triac.


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Ở góc phần tư thứ nhất (I): UT2 > UT1 còn (III) thì ngược lại.
Điện áp UB0 là giá trị điện áp mở đưa triac từ trạng thái bị khóa sang dẫn khí không có
dòng điều khiển. Ig = 0. Khi có dòng điều khiển I g, triac sễ mở với điện áp đặt vào nhỏ
hơn.
Triac chỉ bị khóa khi Ig = 0 và điện áp đặt vào nhỏ hơn ngưỡng U B và mở theo chiều
này hoặc chiều khác tùy theo cực tính của dòng điện điều khiển.
Có 4 cách để mở triac:
- Ở góc phần tư thứ nhất (I):
Cách I+: Dòng, áp cực điều khiển dương.
Cách I-: Dòng, áp cực điều khiển âm.
- Ở góc phần tư thứ ba (III):
Cách III+: Dòng, áp cực điều khiển dương.
Cách III-: Dòng, áp cực điều khiển âm.
Triac có ưu điểm là mạch điều khiển đơn giản nhưng công suất giới hạn nhỏ hơn
•

tiristor.
3. Ứng dụng:

Triac dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, trong mạch chỉnh lưu,. Ngoài ra,
triac còng dùng để điều chỉnh ánh sáng điện, nhiệt độ lò.

6


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
CHƯƠNG II: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.
I.
TRÌNH TỰ THIẾT KẾ:
Khi phân tích một bộ điều áp xoay chiều nên tiến hành theo trình tự sau:
1. Phân tích chế độ làm việc của tải, tìm hiểu các căn cứ thiết kế.
2. Lựa chọn sơ đồ.
3. Tính toán thông số mạch động lực.
4. Thiết kế mạch điều khiển.
a. Thiết kế mạch nguyên lý.
b. Tính chọn linh kiện.
Căn cứ thiết kế
Các yếu tố sau có ảnh hưởng nhiều nhất tới việc thiết kế một bộ điều áp xoay chiều.
Khi thiết kế cần xét:
- Đặc điểm của tải:
+ Công suất tải.
+ Điện áp và dòng điện bằng hay khác điện áp nguồn lưới.
+ Chế độ làm việc dài hạn, ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại.
+ Dải điều khiển công suất.
+ Nguồn cấp.
-Điều kiện môi trường làm việc:

+ Nhiệt độ.
+ Độ ẩm.
+ Các điều kiện khác.
-Khả năng cung cấp linh kiện.
+ Khả năng về tài chính.
+ Trình độ và khả năng người thiết kế, vận hành.

7


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
II.
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP MỘT PHA:
1. Lựa chọn sơ đồ:
a. Chọn sơ đồ mạch động lực:

Mạch động lực bộ điều áp xoay chiều nói chung có một số sơ đồ cơ bản sau. Trên hình
2.1a là điều áp xoay chiều điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện kháng hay
điện trở phụ (tổng trở phụ) biến thiên. Sơ đồ mạch điều chỉnh này đơn giản, dễ thực hiện.

Zf
U1

TBB§
U2 i Z

U1

i

a

U2

U1

b

U2
C

Hình 2.1: Các phương án điều áp một pha
Tuy nhiên, điều chỉnh cơ bản này hiện nay ít được dùng, do hiệu suất thấp (nếu Z f là
điện trở) hay cosφ thấp (nếu Zf là điện cảm). Người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu để
điều chỉnh điện áp U2 như trên hình 2.1b. Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có ưu điểm là
có thể điều chỉnh điện áp U2 từ 0 đến trị số bất kỳ, lớn hay nhỏ hơn điện áp vào. Nếu cần
điện áp ra có điều chỉnh, mà vùng điều chỉnh có thể lớn hơn điện áp vào, thì phương án
phải dùng biến áp là tất yếu. Tuy nhiên sử dụng biến áp tự ngẫy để điều chỉnh khó thực
hiện khi dòng tải lớn, đặc biệt là không điều chỉnh liên tục được, do chổi than khó chế tạo
để có thể chỉ tiếp xúc trên một vòng dây của biến áp.
Hai giải pháp điều áp xoay chiều trên hình 2.1a,b có chung ưu điểm là điện áp hình
sin, đơn giản. Có chung nhược điểm là quán tính điều chỉnh chậm và không điều chỉnh
khi dòng tải lớn. Sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoay chiều, có thể khắc phục được
những nhược điểm vừa nêu trên.
2. Giới thiệu các sơ đồ điều áp 1 pha dùng van bán dẫn:
8


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Hình 2.2 Sơ đồ điều áp xoay chiều bằng van bán dẫn
a. 2 tiristo song song ngược b. triac
c.1 tiristo và 1 diod

d. 4 diod và 1tiristo

Việc điều khiển hai Tiristo song song ngược ( hình 2.2a) đôi khi có chất lượng điều
khiển không tốt lắm, đặc biệt khi cần điều khiển đối xứng điện áp, nhất là khi cung cấp
cho tải, mà tải đòi hỏi thành phần điện áp đối xứng điện áp khi điều khiển là do linh kiện
mạch điều khiển Tiristo gây nên sai số.
Điện áp và dòng điện không đối xứng cung cấp cho tải, sẽ làm cho tải có thành phần
dòng điện một chiều, các cuộn dây bị lão hóa, phát nóng và bị cháy. Vì vậy, việc kiểm tra
định kỳ, hiệu chỉnh lại mạch là việc nên thường xuyên làm đối với sơ đồ mạch này. Tuy
vậy, đối với dòng điện tải lớn thì dây là sơ đồ tối ưu hơn cả cho việc lựa chọn.
Để khắc phục nhược điểm vừa nêu trên về việc ghép hai Tiristo song song ngược,
Triac ra đời và có thể mắc theo sơ đồ hình 2.2b
Sơ đồ này có ưu điểm là: các đường cong điện áp ra gần như mong muốn như hình 2.3a,
nó còn có ưu điểm hơn về việc lắp ráp. Ở đây, chỉ có một van bán dẫn. Sơ đồ mạch này
hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp. Tuy nhiên, Triac hiện nay được
chế tạo với dòng điện không lớn (I< 400A), nên với những dòng điện tải lớn cần phải
ghép song song các Triac, lúc đó sẽ phức tạp hơn về lắp ráp và điều khiển song song.
Những tải có dòng điện trên 400A thì ít dùng.
9


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Một trong những yếu tố làm Triac chưa áp đảo được Tiristo trong điều áp xoay chiều
hiện nay là về chất lượng. Hiện nay, chất lượng của Triac chưa thực sự cao lắm. Do đó,
việc sử dụng còn làm cho người ta lo ngại. Trong tương lai gần, chắc chắn việc sử dụng
Triac sẽ trở nên rộng rãi hơn.

Đa số các trường hợp điều áp xoay chiều, điện áp tải điều khiển trong vùng thấp hơn
điện áp nguồn, các van bán dẫn được nối trực tiếp với nguồn. Trong trường hợp này, điện
áp tải thường được điều khiển trong dải từ 0 đến điện áp nguồn cấp.
Một số loại tải có điện áp tối đa của tải khác với thông số điện áp nguồn cấp. Trong
trường hợp đó, biến áp để phối hợp thông số điện áp nguồn cấp với thông số điện áp tối
đa của tải theo sơ đồ 2.3 cần được đưa vào.

Hình 2.3: Điều áp xoay chiều với điện áp tải nhỏ hơn điện áp nguồn cấp.
Biến áp được sử dụng trên hình 2.3 có thể là biến áp tự ngẫu hoặc biến áp cách ly.
Biến áp cách ly thường được chọn hơn vì biến áp cách ly có thêm chức năng bảo vệ xung
điện áp từ lưới.
Khi tải không có yêuTcầu cao về tải đối xứng, nhất là khi điều khiển các điện trở lò sấy

Ur khiển không đối xứng
i một Điot một
hay đèn sợi đốt, người ta có thể sử dụng sơ đồ điều
Tiristo như hình 2.4.

D

ir

t

~
10


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

a.

b.

Hình 2.4: Điều áp xoay chiều không đối xứng.
a. Sơ đồ b. Đường cong điện áp và dòng điện.

Ở đây, chúng ta chỉ điều khiển một nửa chu kỳ điện áp, còn nửa chu kỳ không điều
khiển. Trường hợp này có thể điều khiển ¼ công suất trở lên. Tuy nhiên, nếu công suất
tải lớn sẽ gây mất đối xứng nguồn cấp, làm xấu đi chất lượng nguồn.

11


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH LỰC.
I. TÍNH CHỌN THÔNG SỐ MẠCH LỰC VÀ BẢO VỆ:
Mạch động lực và bảo vệ của sơ đồ điều áp xoay chiều hiện nay thường gặp là hai sơ
đồ trên hình 3.1.

T1
AT

C

R
C

R

AT
T

U1

T2

ZT

U1

a.

ZT
b.

Hình 3.1: Các sơ đồ điều áp xoay chiều điển hình bằng linh kiện bán dẫn.
a.Bằng Tiristo. b.Bằng Triac.
Thông số các van bán dẫn T1, T2, T và các Aptomat bảo vệ dòng điện AT được lựa
chọn thông qua thông số dòng điện tải.
•

Ý nghĩa của việc chọn linh kiện-thiết bị:

Trong kỹ thuật việc tính chọn thiết bị điện có ý nghĩa rất quan trọng,nó quyết định có
đưa hệ thống vào làm việc hay không.Nếu chọn thiết bị có công suất lớn hơn yêu cầu sẽ
gây lãng phí về thiết kế dẫn tới giá thành cao.Còn nếu chọn thiết bị có công suất nhỏ hơn
yêu cầu thì dẫn đến hệ thống luôn làm việc trong trạng thái quá tải làm giảm tuổi thọ của
hệ thống hoặc phá hỏng hệ thống.Việc tính chọn thiết bị thiếu chính xác thì hệ thống làm

việc kém chất lượng hoặc không làm việc.Vì vậy tính chọn thiết bị phải thỏa mãn các yêu
cầu sau:
-Về mặt kỹ thuật: phải đảm bảo yêu cầu công nghệ và các thông số phù hợp với thiết
bị,đảm bảo ho hệ thống làm việc ổn định lâu dài và dặc biệt là độ tin cậy cao.
12


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
-Về mặt kinh kế: các thiết bị được chọn trong khoảng thỏa mãn các yêu cầu kỹ
thuật,phải đảm bảo có chi phí mua sắm hợp lý sao cho tiết kiệm.
1. Tính toán thông số để lựa chọn van:

Dòng điện quyết định chế độ làm việc của van bán dẫn cần chọn và dòng điện bảo vệ
của Aptomat là dòng điện cực đại của tải. Dòng điện cực đại của tải được tính khi góc mở
van nhỏ nhất. Thường góc mở van nhỏ nhất là chế độ làm việc khi α=0, lúc này tải có
dòng điện hình sin chạy qua.
Dòng điện tải có thể được tính:
Itải
Trong đó: P - công suất định mức của tải.
U – điện áp định mức.
Cosφ – hệ số công suất của tải.
Hoặc:
ITải=

U
RT2 + X T2
Khi thông số đã cho là điện áp U, điện trở tải RT và điện cảm XT.
Từ các trị số IT , ta tính được dòng điện làm việc hiệu dụng chạy qua các van bán dẫn.
Trong sơ đồ hình 3.1a, dòng điện chạy qua các Tiristo IT1 , IT2 được tính:
IT1=IT2=

I Tai
2
Ở sơ đồ hình 3.1b, dòng điện chạy qua Triac bằng dòng điện tải.
ITriac=ITải
Điện áp làm việc (ngược) của các van cầu chọn theo biên độ điện áp nguồn xoay
chiều.

13


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
ULV=

2
.U1
Van bán dẫn được chọn căn cứ vào các thông số dòng điện và điện áp vừa mới tính
được từ các biểu thức trên.
2. Cách chọn van động lực:
Hai thông số cần quan tâm nhất khi chọn van bán dẫn cho chỉnh lưu là điện
áp và dòng điện, các thông số còn lại là những thông số tham khảo khi lựa chọn
Khi đã đáp ứng được hai thông số cơ bản trên các thông số còn lại có thể
tham khảo theo gợi ý sau:
Loại van nào có sụt áp ΔU nhỏ hơn sẽ có tổn hao nhiệt ít hơn.
Dòng điện rò của loại van nào nhỏ hơn thì chất lượng tốt hơn.
Nhiệt độ cho phép của loại van nào cao hơn thì khả năng chịu nhiệt tốt hơn.
Điện áp và dòng điện điều khiển của loại van nào nhỏ hơn, công suất điều
khiển thấp hơn.
Loại van nào có thời gian chuyển mạch bé hơn sẽ nhạy hơn. Tuy nhiên
trong đa số các van bán dẫn thời gian chuyển mạch thường tỷ lệ nghịch với tổn hao công suất.

Các van động lực được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là: dòng tải, sơ
đồ đã chọn, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc
Trước tiên, chọn chế độ làm mát cho van bán dẫn. Căn cứ chế độ làm mát mà chọn
van.Sau khi chọn xong chế độ làm mát van, tính trị số định mức của van cần chọn. Tra
bảng thông số van chọn được van cần thiết.
3. Tính chọn Tiristor.
Triac được chọn cần thỏa mãn các yêu cầu sau :
14


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Tải trở có công suất 100W.
Dòng điện tải It = = =0,45(A)
Điện

trở

tải:

Rt

=

=

489(

Ω
)
a. Điều kiện về dòng điện

[Itb]

≥
KIt . ITmax
Điều kiện về điện áp
uTng

max

≥
KUT . uTng max
=

KU

.

2
u2
Chọn theo điều kiện dòng điện :
Giá trị dòng trung bình phải ứng với dòng tải của hệ thống.

ITtb

≥
Ki.ITtb max

15

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
ITtb

≥
Ki. = 2,5*0,225= 0,56(A)
Ki là hệ số dự trữ dòng điện ( KIt =1,5 ÷ 4), ta chọn KIt = 2,5
Như

vậy

ITtb

≥
0,56(A)
b. Chọn theo điều kiện điện áp

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên Tiristor là:
Utmax

=

Uphamax

=

2
* 220= 311(V)
Vậy cần chọn van chịu được điện áp khoảng:
Uvan = 2* Utmax = 2* 311 = 622 (V)

Vậy ta chọn Tirstor theo thông số sau:
Rđk=

Ký hiệu

BT136F-600

Imax

Umax

Uđk

Iđk

(A)

(V)

(V)

(mA)

4

600

1,5

Trong đó:

Imax: dòng điện cực đại qua van
Umax: điện áp cực đại qua van
16

70

(

du
dt
(v/s)
100

Ω
)
21,4


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Uđk: điện áp điều khển
Iđk: dòng điện điều khiển

du
dt
: đạo hàm điện áp
Rđk : điện trở tương đương của mạch điều khiển
c. Tính chọn R-C bảo vệ quá áp cho Triac trong mạch động lực:
•

Có 2 loại nguyên nhân gây ra quá điện áp:

+ Nguyên nhân nội tại: (xảy ra trong quá trình chuyển đổi của các van). Đây là sự tích
tụ điện tích trong các lớp bán dẫn.
+ Nguyên nhân bên ngoài: thường xảy ra rất nhiều như khi đóng cắt không tải 1 máy
biến áp trên đường dây, khi có sét đánh.
Mạch R-C mắc song song với mỗi van có thể tránh được hiện tượng không mong
muốn nói trên và bảo vệ quá áp do nhiều nguyên nhân gây ra
Theo luật đóng mở thì điện áp đột biến tăng sẽ biến thiên liên tục tại thoeif điểm xảy ra
quá độ qua tụ C. Vì thế mà khi có tốc độ tăng trưởng điện áp lớn thì vẫn giữ được điện áp
anot của Triac không bị tăng đột ngột so với katot
Các thông số R-C trong trường hợp này đã dược tối ưu hóa, bằng máy tính điện tử
người ta đã lập ra một số quan hệ cho phép ta xác định giá trị tối ưu của R và C.
ua

=

uTngc

max

=

2
umax

=

2
. 220 = 311 (V)
17

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
uP = udo = 239,03 (v)
Vậy ta có:

Ua
UP
=

311,13
239,03
= 1,30
Trong đó:
ua : biên độ quá áp
up : biên độ điện áp nguồn
Gần đúng ta xác định được:
F= 0,6
G= 0,48
H= 0,78
Mà

C

=

2

LBA(

I
.F )
UP
2

=

2

.

15
)2
240,8.0,6
= 6,4 . 10-5 (F)

18

2,97

.

10 -3

.

(


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

R

=

2G

L
C
=

2

.

0,48

2,97.10−3
6, 4.10−5
=

6,54

Ω
)

d. Chọn thiết bị bảo vệ.

+ Bảo vệ ngắn mạch,quá tải:
Sử dụng Aptômat (AT) để đóng cắt mạch lực, bảo vệ khi quá tải và ngắn
mạch Triac, ngắn mạch đầu ra của bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp.

Trường hợp điện áp nguồn cấp không trùng với điện áp tối đa của tải, chúng ta cần có
một biến áp để phối hợp điện áp cho hợp lý, công suất biến áp ở đây được tính theo công
suất tải.

19

(


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.
NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN:
Về nguyên lý, trong mạch điều áp xoay chiều, van bán dẫn được mắc vào lưới điện
I.

xoay chiều hoàn toàn giống như chỉnh lưu.
Trường hợp mạch động lực được chọn là hai Tiristo mắc song song ngược như sơ đồ
hình 3.1a, chúng ta cần có hai xung điều khiển trong mỗi chu kỳ. Mạch điều khiển có thể
sử dụng sơ đồ hoàn toàn giống điều khiển trong mỗi chu kỳ. Với mỗi Tiristo một mạch
điều khiển độc lập. Khi sử dụng sơ đồ mạch điều khiển chỉnh lưu cho điều áp xoay chiều,
có thể xuất hiện khả năng là: hai Tiristo điều khiển không đối xứng, do các linh kiện của
hai mạch điều khiển không hoàn toàn giống hệt nhau.
Đối với những tải cần điều khiển đối xứng, đòi hỏi hai Tiristo mở dối xứng, lúc này
cần các kênh điều khiển Tiristo có góc mở càng ít khác nhau càng tốt. Mong muốn là
chúng hoàn toàn giống nhau. Nhưng sự giống nhau này chỉ có thể đạt đến một chừng
mực nào đó.
Nguyên lý điều khiển Tiristo ở đây như trong điều khiển chỉnh lưu, nghĩa là ở mỗi nửa
chu kỳ điện áp, cần tạo điện áo tựa trùng pha điện áp nguồn cấp như hình 4.1.
Trong điều khiển chỉnh lưu mỗi kênh điều khiển một nửa chu kỳ, điện áp tựa xuất hiện
gián đoạn. Mỗi nửa chu kỳ có một điện áp tựa đồng pha điện áp dương anot của Tiristo.

Điều áp xoay chiều cần có điện áp tựa liên tiếp cả hai nửa chu kỳ.
Khi so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển, ở mỗi nửa chu kỳ đều có điện áp tựa
bằng điện áp điều khiển trong vùng biến thiên tuyến tính của điện áp tựa (tại các điểm t 1,
t2, t3, t4, … ). Kết quả là chúng ta có các xung điều khiển Xđk liên tiếp ở mỗi nửa chu kỳ.

20


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

UT
t

Urc
t
X®k

t1

t2 t3

t4 t5

t6 t7

t8
t

UT¶i
t

Hình 4.1: Nguyên lý điều khiển điều áp xoay chiều.

21


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

II.

SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH ĐIỀU KHIỂN.
Mạch điều khiển gồm sáu khâu. Mỗi khâu đều có chức năng riêng biệt được ghép
lại với nhau nhằm thực hiện nhiệm vụ chung .
Sơ đồ tổng quát cho một kênh điều khiển :

Khâu tạo điện

Khâu tạo điện

Khâu so

Khâu tạo

Khâu khuếch

Áp đồng pha

Áp tựa

sánh

dạng xung

đại xung

Khâu tạo điện
áp điều khiển

Khâu tạo điện áp đồng pha
- Có nhiệm vụ tạo điện áp đồng bộ với điện áp lưới. Từ điện áp đồng bộ này ta xác
1.

định được điểm gốc để tính góc điều khiển α . Ngoài nhiệm vụ đó khâu đồng bộ còn có
hai chức năng sau :
+ Giảm áp : tức là giảm điện áp lực có giá trị lớn ở đầu vào và lấy giá trị điện
áp có giá trị phù hợp để điều khiển .
+ Cách ly : cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực đảm bảo an toàn cho
mạch điều khiển khi lưới có sự cố.
Người ta thường thiết kế khâu đồng pha bằng biến áp xung hoặc phần tử quang
Opto.
2.

Khâu tạo điện áp tựa

- Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa (Uđp) dạng thích hợp sao cho trong mỗi nửa chu kỳ
của điện áp cần chỉnh lưu đều có dạng điện áp ra theo quy luật giống nhau.
- Có 2 loại điện áp tựa:
+ Dạng răng cưa ( răng cưa sườn trước, răng cưa sườn sau )
+ Dạng hình sin: Dạng hình sin cho điện áp chỉnh lưu tuyến tính với điện áp điều
khiển nhưng có nhược điểm là phụ thuộc vào lưới điện và bị nhiễu theo nguồn. Trong

22


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
thực tế người ta hay dùng điện áp tựa dạng hình răng cưa hơn
+ Điện áp đồng bộ khi qua khâu tạo điện áp tựa thì điện áp đó sẽ có dạng răng cưa.
Đây là dạng điện áp dùng để so sánh với điện áp điều khiển .
3.
Khâu so sánh
Thực hiện nhiệm vụ so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển để phát động tạo xung có
độ rộng thích hợp điều khiển tới van.
4.

Khâu tạo xung

Vì xung dương sau khối so sánh là một xung vuông có độ rộng kéo dài từ khi
xuất hiện cho đến hết nửa chu kì đang xét của điện áp chỉnh lưu, xung này chưa thích
hợp để mở thysistor. Do vậy khâu tạo xung này có nhiệm vụ:
+ Chế biến xung ra thành dạng thích hợp cho việc mở thysistor ( dạng xung kim
đơn hoặc xung chùm)
+ Khuếch đại đủ công suất mở thysistor
+ Chia xung cấp cho các thysistor
5.

Khâu khuyếch đại xung

Có nhiệm vụ khuyếch đại để đảm bảo về:
+ Độ lớn của xung
+ Công suất xung điều khiển
+ Cách ly mạch lực với mạch điều khiển.

6. Khâu tạo điện áp điều khiển
- Đây là một khâu rất quan trọng trong mạch điều khiển . Nó tạo ra điện áp điều
khiển để so sánh với điện áp tựa . Khâu tạo điện áp điều khiển còn có nhiệm vụ
ngắt mạch khi trong mạch xảy ra sự cố ngắn mạch .
THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ:
Hiện nay, mạch điều khiển chỉnh lưu thường được thiết kế theo nguyên tắc thẳng đứng
III.

tuyến tính như giới thiệu trên.
23


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Theo nhiệm vụ của các khâu như đã giới thiệu, tiến hành thiết kế, tính chọn các khâu
cơ bản của ba khối trên, tốt nhất là nên chọn trong các sơ đồ đã có trong các giáo trình và
tài liệu.
1. Chọn khâu đồng bộ
a.Tạo xung răng cưa
* Dùng diode và tụ.

Hình 4.2: Sơ đồ dùng diode và tụ và đồ thị điện áp
Nguyên lý tạo xung răng cưa:
Khi A+ thì D1 thông suy ra φB(thế ở điểm B) φ0; φB dương hơn φC suy ra D2 thông
do đó φC=φB =φ0
Khi A- thì D1 và D2 khóa tụ nạp.
Qua thời gian θ1 φBC âm hơn φB D2 thuận tụ bắt đầu xả theo hướng 0→A→B→C
đến khi Urc=0 và giữ nguyên đến 2π
Đây là sơ đồ đơn giản, dễ thực hiện, với số linh kiện ít nhưng chất lượng điện áp
tựa không tốt. Độ dài của phần biến thiên tuyến tính của điện áp tựa không phủ hết 180 0.
Do vậy, góc mở van lớn nhất bị giới hạn. Hay nói cách khác, nếu theo sơ đồ này điện áp

không điều khiển được từ 0 tới cực đại mà từ một trị số nào đó đến cực đại.
* Dùng transistor và tụ

24


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Hình 4.3: Sơ đồ dùng transistor và tụ và đồ thị điện áp
Nguyên lý tạo xung răng cưa:
Khi thế ở điểm A dương hơn thế ở điểm B(φA >φB) t hì transistor khóa và tụ C nạp
với hằng số thời gian T=R2.C, khi(φB >φA) transistor dẫn suy ra tụ xả theo hướng
transistor cho tới Urc=0.
Để khắc phục nhược điểm về dải điều chỉnh ở sơ đồ 1 người ta sử dụng sơ đồ tạo
điện áp tựa bằng sơ đồ 2. Theo sơ đồ này, điện áp tựa có phần biến thiên tuyến tính phủ
hết nửa chu kỳ điện áp. Do vậy khi cần điều khiển điện áp từ 0 tới cực đại là hoàn toàn có
thể đáp ứng được.
* Dùng bộ ghép quang

Hình 4.4: Sơ đồ dùng bộ ghép quang và đồ thị điện áp
Nguyên lý tạo xung răng cưa:

25