bộ chỉnh luu cầu 1 pha điều khiển

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay rất nhiều thiết bị biến đổi công suất được đề xuất để phục vụ những yêu
cầu ngày càng cao của cuộc sống. ĐTCS đã giúp cho việc sử dụng điện năng một
cách hiệu quả, các linh kiện điện tử công suất được sử dụng trong q trình biến
đổi cũng như điều khiển cơng suất: hiệu quả cao và tổn hao thấp trong lò cao tần,
truyền tải điện DC. Các thiết bị ĐTCS mới hiện nay được cải tiến phát triển để
nâng cao hiệu suất hơn nữa việc sử dụng năng lượng.
ĐTCS đóng vai trị quan trọng trong các mơ hình cơng nghệ và được thiết kế để
điều khiển năng lượng. Dòng điện điện áp và đặc tính đóng ngắt của các linh kiện
bán dẫn liên tục được hoàn thiện, phạm vi ứng dụng ngày càng được mở rộng như
trong chiếu sáng, bộ nguồn, điều khiển động cơ, tự động hóa cơng nghiệp, giao
thơng, lưu trữ năng lượng, truyền tải điện đi xa. Hiệu suất cao và đặc điểm điều
khiển chặt chẽ đã giúp cho ĐTCS có lợi thế hơn nhiều trong điều khiển động cơ so
với các hệ thống điều khiển cơ điện và điện tử trước đây. Ngồi ra ĐTCS cịn được
ứng dụng trong truyền tải điện DC (VHDC), trạm biến đổi công suất, hệ thống
truyền tải AC mềm dẻo flexible ac transmission system (FACTS), và bù công suất
static-var compensators (SVC). Trong truyền tải sử dụng biến đổi DC/AC, bộ lọc
tích cực, biến đổi tần số.
Cuộc cách mạng đầu tiên trong ĐTCS bắt đầu vào năm 1948 với việc phát minh ra
silicon transistor tại phịng thí nghiệm Bell Telephone Laboratories bởi Bardeen,
Bratain, and Schockley. Phần lớn công nghệ điện tử tiên tiến ngày nay dựa trên
phát minh này, các mơ hình microelectronics cũng được phát triển từ linh kiện bán
dẫn này. Cuộc cách mạng thứ hai bắt đầu với việc phát triển của Thyristor trong
công nghiệp bởi hãng General Electric Company vào năm 1958. Đây là khởi đầu
của kỷ nguyên mới của ĐTCS. Từ đó đến nay có rất nhiều các linh kiện bán dẫn
cũng như công nghệ biến đổi được đề xuất và ứng dụng.
Sử dụng các bộ biến đổi công suất trong hệ thống điện, trong giao thông, trong
luyện kim cũng như các lĩnh vực công nghiệp khác đã tạo đà phát triển kinh tế rất
lớn. Ví dụ ở Mỹ hiện nay có 70% năng lượng điện sử dụng được biến đổi từ các bộ

1


biến đổi công suất. Kỹ thuật biến đổi là ngành khoa học trẻ và đã đạt được thành
công rất lớn, tuy nhiên ngày càng nhiều bài toán được đặt ra ở phía trước, nó địi
hởi sự phát triển hơn nữa cả về lý thuyết lẫn thực tế kỹ thuật biến đổi.

Chương 1: Khái quát về chỉnh lưu
1.1
1.1.1

Các vấn đề chung về chỉnh lưu
Cấu trúc mạch chỉnh lưu

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dịng 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 của mạch chỉnh lưu như trên hình 1.

Hình 1. Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu
Trong sơ đồ có máy biến áp làm hai nhiệm vụ chính là:
a.

Chuyển từ điện áp quy chuẩn của lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2
thích hợp với yêu cầu của tải. Tùy theo tải mà máy biến áp có thẻ tằng áp

b.

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 lơn nhất là 3 pha. 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.
2


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 điện áp(hoặc dòng điện) một chiều theo cấp cho
tải là bằng phẳng theo yêu cầu.
1.1.2

Phân loại

Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây:
1.

Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: một pha, hai pha, ba pha,

2.

6 pha,….
Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch
Hiện nay chủ yếu dùng hai loại van là điôt và tiristo, vì thế có ba loại
mạch sau:
• Mạch van dùng tồn điơt, được gọi là chỉnh lưu khơng điều khiển.
• Mạch van dùng tồn tiristo, gọi là chỉnh lưu điều khiển.
• Mạch van dùng cả hai loại điôt và tiristo, gọi là chỉnh lưu bán điều

3.

khiển.
Phân loại theo sơ đồ mắc van với nhau. Có hai kiểu mắc van:
a) Sơ đồ hinh 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
b)

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 một mạch chỉnh lưu người ta dùng ba dấu hiệu trên để chỉ cụ thể
mạch đó. Thí dụ chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển, có nghĩa là mạch chỉnh lưu
này dùng kiểu mắc van theo sơ đồ cầu, nguồn cấp cho mạch van là ba pha, và dùng
6 van có cả điơt và tiristo.
1.1.3

Các tham số cơ bản của mạch chỉnh lưu
Các tham số này 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. Về phía tải
3


(1.2)

Ud – Giá trị trung bình của điện áp nhận được sau mạch van chỉnh lưu:
T

1
1
U d = ∫ U d (t ) dt =
T 0
2π

2π

∫U

d

(θ ) dθ

0

(1.1)

Id – giá trị trung bình của dịng điện từ mạch van cấp ra:
1
Id =
2π

2π

∫I

d

(θ ) dθ

0

(1.2)

Pd=Ud.Id là công suất một chiều mà tải nhận được từ mạch chỉnh lưu.
2.

3.

Về phía van
Itbv-giá trị trung bình của dịng điện chảy qua 1 van của mạch van
Ungmax-điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc.
Về phía nguồn
Thể hiện bằng cơng suất xoay chiều lấy từ lưới điện, thong thường sử
dụng theo công suất biểu kiến của biến áp:
S + S2
Sba = 1
= k sd Pd
2
Trong đó:

S1 = U1 I1

(1.3)

(1.4)

m

S 2 = ∑ U 2i I 2 i
i =1

(1.5)
Các giá trị U1,I1,U2i, I2i là trị số hiệu dụng của điện áp và dịng điện phía sơ
cấp và thứ cấp máy biến áp. Do phía thứ cấp có nhiều cuộn dây, nên phải
tổng cộng công suất của tất cả m cuộn dây.
1.2
1.2.1

Một số mạch chỉnh lưu
Chỉnh lưu hình tia hai pha

4


b)
Hình 2: Chỉnh lưu hình tia 2 pha

a)

Ở mạch này các điơt Đ1, Đ2 đấu theo kiểu catơt chung, vì vậy chúng sẽ làm việc
theo luật dẫn 1 trong đó anơt của điơt Đ1 nối với U2’, cịn anơt của điơt Đ2 nối với
điện áp U2”. Vì vậy trong khoảng(0÷2π), điơt Đ1 dẫn do U2’khoảng(π ÷2π) thì điơt Đ2 dẫn do U2”>U2’. Do đó điện áp chỉnh lưu Ud sẽ có hai
dạng ở hình 2.b với
Ud=U2’ ở 0÷2π
Ud=U2” ở π ÷2π
Theo đồ thị Ud(θ) ta thấy dạng Ud có hai đoạn giống nhau, tức chu ky lặp lại của Ud

chỉ là π mà không phải 2π nên:
Ud =

1
π

π

∫

2U 2 sin θ dθ =

0

2 2
U 2 = 0, 9U 2
π

(1.6)

Và:

Id =

Ud
Rd
5


Dịng trung bình qua van:

I tbv =

Id
2

(1.7)

Mạch chỉnh lưu này được sử dụng nhiều trong dải công suất nhỏ đến vài Kw nó
thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp vì sụt áp trên đường tải chỉ có một van.
1.2.2

Chỉnh lưu cầu một pha

a)

b)
Hình 3. Chỉnh lưu cầu một pha

Mạch chỉnh lưu gồm 4 van Đ1 ÷ Đ2 đấu thành hai nhóm (hình 3.a): Đ1Đ3 nhóm
catơt chung, Đ2Đ4 nhóm anơt chung. Nguồn xoay chiều đưa vào mạch van có thể
lấy trực tiếp từ lưới điện hoặc thông qua biến áp.
Trong nửa chu kỳ đầu: (0÷π), điện áp U2>0 với cực tính khơng trong ngoặc trên sơ
đồ. Ta thấy với nhóm anơt chung Đ1Đ3 thì anơt Đ1là dương hơn anơt Đ3 vì vậy Đ=
sẽ dẫn. Cịn nhóm Đ2Đ4 thì catơt Đ2 âm hơn catơt Đ4 vì vậy Đ2 dẫn.
Như vậy nửa chu kỳ đầu Đ1Đ2 dẫn. Tương tự trong nửa chu kỳ sau (π ÷2π) điện áp
U2<0 với cực tính đảo lại( trong dấu ngoặc). Nên Đ3Đ4 dẫn cịn Đ1Đ2 khóa.
Điện áp ra tải Ud:
6

2 2
U 2 = 0,9U 2
π
U
Id = d
Rd

Ud =

(1.8)

Dòng điện qua mỗi điôt cũng chỉ tồn tại trong một nửa chu kỳ do đó:

I tbv =

Id
2

U ng max = 2U 2
Điện áp ngược:

(1.9)

Chỉnh lưu cầu một pha được sử dụng rộng rãi trong thực tế, nhất là với cấp điện áp
ra từ 10V trở lên. Dịng tải có thể lên tới một tram ampe.
1.2.3

Chỉnh lưu hình tia ba pha

a)

7


U a = 2U 2 sin θ
U b = 2U 2 sin(θ − 120o )
U c = 2U 2 sin(θ − 240o )

b)

Hình 4: Chỉnh lưu hình tia ba pha
Mạch van gồm ba điơt Đ1Đ2Đ3 mắc thành một nhóm (hình 4.a), ở đây là kiểu catốt
chung, do vậy chúng sẽ hoạt động theo luật dẫn 1. Điện áp xoay chiều đưa vào
mạch van là nguồn ba pha đối xứng Ua, Ub, Uc.. Theo sơ đồ ta thấy anốt Đ1 đấu với
Ua, anốt Đ2 đấu với Ub, anốt Đ3 đấu với Uc. Vì thế:
Trong khoảng θ1÷ θ2( tức từ 30°÷150°), điện áp UaUd=Ua
Trong khoảng θ2÷ θ3( tức từ 150°÷270°), điện áp Ub>Ua, Uc nên điơt Đ2 dẫn, suy ra
Ud=Ub
Trong khoảng θ3÷ θ4( tức từ 270°÷390°), điện áp Uc>Ua, Ub nên điơt Đ3 dẫn, suy ra
Ud=Uc

8


Điện áp ra tải Ud luôn lấy các điện áp dương nhất của nguồn, theo đồ thị ở hình 4.b
của Ud ta có:
180o

1

Ud =
2π / 3 30∫o
Id =

2U 2 sin θ =

3 6
U 2 = 1,17U 2
2π

Ud
Rd

(2.0)

Dòng điện qua mỗi van chỉ tồn tại 1/3 của chu kỳ điện áp nguồn. Vì vậy

I tbv =

Id
3

(2.1)

Điện áp ngược trên van là điện áp dây cực đại:

U ng max = U d max = 6U 2
(2.2)
Chỉnh lưu hình tia ba pha có đặc điểm tương tự chỉnh lưu hình tia hai pha.
1.2.4

Chỉnh lưu cầu 3 pha

Mạch gồm 2 nhóm, các điơt Đ1, Đ3, Đ5 đấu kiểu catơt chung(Hình 5), nên hoạt động
theo luận dẫn 1, vì thế: Đ1 dẫn trong khoảng θ1÷ θ3 khi Ua dương nhất, Đ3 dẫn trong
khoảng θ3÷ θ5 khi Ub dương nhất, Đ5 dẫn trong khoảng θ5÷ θ7 khi Uc dương nhất.
Các điôt Đ2, Đ4, Đ6 đấu kiểu atơt chung nên:
Đ2 dẫn trong khoảng θ2÷ θ4 khi Uc âm nhất
Đ4 dẫn trong khoảng θ4÷ θ6 khi Ua âm nhất
Đ6 dẫn trong khoảng θ6÷ θ8 khi Ub âm nhất
9


a)

b)
Hình 5: Chỉnh lưu cầu ba pha

10


Điện áp trung bình nhận được trên tải:
90o

1
6
Ud =
(U a − U b )dθ =
∫
2π / 6 30o

2π
=

90o

∫ U

30o

2m

sin θ − U 2 m sin(θ − 120o) dθ

3 6
U 2 = 2,34U 2
π

1.2.5

(2.3)

Chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển

a)

b)
11


Hình 6: Chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển

Nhóm catôt chung là các tiristo nên chung được mở ở các thời điểm α của nó.
Nhóm anơt chung là các van điôt nên chúng luôn mở tự nhiên theo điện áp nguồn:
Đ1 mở khi U2 bắt đầu âm, Đ2 mở khi U2 bắt đầu dương. Do vậy sự dẫn của các van
trong chu kỳ lưới là:
Trong khoảng π +(π+α): T1Đ1 dẫn . θ1 mở tự nhiên làm θ2 khóa
Trong khoảng (π+α)+2 π: T2Đ1 dẫn . T2 được phát xung mở ở điểm (π+α) và dẫn
làm T1 khóa
Trong khoảng 2π+(2π+α): T2Đ2 dẫn, Đ2 mở tự nhiên ở điểm 2π.

U dα = U d 0
Điện áp dây:

Dòng tải:

1 + cos α
1 + cos α
= 0,9U 2
2
2

U
I d = dα
Rd

Trị số trung bình của dòng qua van dẫn:
1.2.6

(2.4)

(2.5)

Id/2.

Chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển

a)
12


b)
Hình 7: Chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển
Ưu điểm: là có thể điều khiển các thyristor một cách trực tiếp mà không cần cách
ly bằng biến áp xung. Điều đó có thể áp dụng nếu như sơ đồ làm vịêc với điện áp
thấp, ví dụ như một nguồn hàn hồ quang một chiều. Với sơ đồ này có ưu thế là
dùng ít van tuy nhiên nhược điểm của các sơ đồ này là số lần dập mạch của điện
áp chỉnh lưu phụ thuộc vào góc điều khiển α.
Cơng thức tính tốn :
- Điện áp chỉnh lưu nhận được :

Ud =

3 6
U 2 (1 + Cosα ) = 1,17U 2 (1 + Cosα )
2Π

=2,34

1 + cos α
2

- Điện áp ngược đặt lên van :

U ng max = 6U 2 = 2,45U 2
- Dịng điện trung bình qua tải :
13


Id =

Ud
Rd

- Dịng điện trung bình qua van :

I tbv =

Id
3

- Dòng điện thứ cấp máy biến áp :
Π

5Π

3 2
2 6
2
I2 =
i 2 dθ +
Π
Π

∫
2Π 6 + α
3Π ∫ 2

+α

2

i 2 = 0,816 I d

- Công suất máy biến áp :
S=

3U 1 I 1 + 3U 2 I 2
= 1,05 Pd
2

- Điện áp ngược đặt lên van :
U ng max = 6U 2 = 2,45U 2

- Trị số dòng trung bình của cuộn thứ cấp MBA :

I2 =

2
Id
3

14

Chương 2: Tính tốn mạch cơng suất
2.1. Tính tốn các tham số
Thông số chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển:
Ud=110VDC, Pd=5KW, E=24VDC tải RLE
Ta lựa chọn mạch điều khiển là mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển với
thyristo đấu katơt chung.

Hình 8: Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển
•

Id =

Dịng điện dây:
Pd 5000
=
= 45, 45( A)
Ud
110
15


•

Điện áp pha cuộn thứ cấp:

U2 =

Ud 110
=

= 122, 22(V )
0,9 0,9

Ud=0,9U2 →
•

I tbv =

Dịng trung bình qua van:

I d 45, 45
=
= 22, 73( A)
2
2

→Vậy chọn van với trị số dòng điện cỡ:

I tb max = 2 I tbv = 2.22,73 = 45, 46( A)
•

Điện áp ngược cực đại trên van:

U ng max = 1, 41U 2 = 1, 41.122, 22 = 139, 33(V )
→ Vậy chọn van chịu được điện áp khoảng:

U v max = 4U ng max = 4.139,33 = 557,32(V )
2.2. Chọn van bán dẫn
Như vậy với yêu cầu thực tế về các thông số mạch ta chọn van động lực: Thyristor
IRG4PC50FD với Itbmax=70A, Uvmax=600V.

16


Chương 3: Mô phỏng trên matlab
3.1. Sơ đồ mạch

3.1.1. Khối nguồn

17


3.1.2. Khối mạch lực

18


3.1.3. Khối phát xung
19


3.1.4. Khối hiện thị

20


3.2. Kết quả mơ phỏng

Hình 9: Scope hiện thị UAC, XUNG, UDC, IDC
•

•
•
•

Đường đặc tính thứ 1: Điện áp nguồn xoay chiều
Đường đặc tính thứ 2: Phát xung của thyristoe
Đường đặc tính thứ 3: Điện áp một chiều UDC
Đường đặc tính thứ 4: Dịng điện một chiều IDC

21


Hình 10: Scope1 hiện thị UAC, IAC, UT1, IT1
•
•
•
•

Đường đặc tính thứ 1: Điện áp nguồn xoay chiều
Đường đặc tính thứ 2: Dịng điện nguồn xoay chiều
Đường đặc tính thứ 3: Điện áp trên van UT1
Đường đặc tính thứ 4: Dòng điện trên van IT1

22


Kết luận
-

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Đặng Hồng Hải và sự giúp đỡ của các

bạn, em đã hoàn thành xong BTL này. Tuy nhiên do kiến thức cịn hạn chế
nên khơng tránh khỏi những sai sót mong thầy và các bạn góp ý để BTL này

-

được hồn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cám ơn thầy!

23


Tài liệu tham khảo
1)

Phạm Quốc Hải. Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất. Nhà xuất bản Khoa

2)

học và kỹ thuật, 2009.
Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất. Nhà

3)

xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2004.
Giáo trình Điện tử cơng suất, nhà xuất bản giáo dục.

24