bài tập lớn điện tử công suất mạch chỉnh lưu

Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ MẠCH CHỈNH LƯU
1.1.
KHÁI QUÁT VỀ MẠCH CHỈNH LƯU
1.1.1. Cấu trúc mạch chỉnh lưu

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều
bằng cách sử dụng các phần tử bán dẫn công suất.
Sơ đồ cấu trúc của mạch chỉnh lưu:

Lọc
Biến áp
Van CL

Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu
Khối biến áp dùng để chuyển từ điện áp của lưới điện xoay chiều U 1 sang điện áp
U2 thích hợp với tải. Ngoài ra khối biến áp còn có thể biến đổi số pha của nguồn lưới
sang số pha theo yêu cầu của mạch van chỉnh lưu. Thông thường số pha của lưới lớn nhất
là 3. Mạch van có thể cần số pha là 1,3,6,12...
Trong một số trường hợp khi mà nguồn lưới đã phù hợp với yêu cầu của khối van
chỉnh lưu thì có thể bỏ qua máy biến áp.
Khối van CL gồm các van bán dẫn ( điốt và tiristo) được mắc theo cách nhất định
để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu.
Khối Lọc có tác dụng làm cho điện áp đầu ra của mạch chỉnh lưu là điện áp một
chiều bằng phẳng theo yêu cầu.
1.1.2. Phân loại

Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau:
a. Dựa theo số pha nguồn cấp cho mạch van: một pha, hai pha, ba pha, sáu pha…
b. Dựa theo van bán dẫn:
Mạch dùng toàn điốt: chỉnh lưu không điều khiển.
Mạch dùng toàn triristo: chỉnh lưu điều khiển.

Mạch chỉnh lưu dùng cả hai loại điốt và triristo: chỉnh lưu bán điều khiển.
c. Dựa theo sơ đồ mắc các van với nhau
Sơ đồ hình tia : Trong sơ đồ này số van dùng cho chỉnh lưu sẽ bằng số pha
nguồn cấp cho mạch chỉnh lưu. Các van đấu chung một đầu nào đó với nhau: hoặc A
chung, hoặc K chung.


Sơ đồ hình cầu: Trong sơ đồ này số lượng van gấp đôi số pha nguồn cấp cho
mạch chỉnh lưu, trong đó một nửa số van mắc chung nhau A , một nửa số van mắc chung
K.
1.1.3. Các tham số cơ bản.
Các tham số cơ bản dùng để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản nhất của một
mạch chỉnh lưu:
Ud : giá trị điện áp trung bình nhận được sau mạch van chỉnh lưu.
T

Ud =

1
1
u d (t ) dt =
∫
T 0
2π

2π

∫u

d

(θ )dθ

0

Chapter 1 Section 2

Equation
(1.1.1)

Id : Dòng điện trung bình nhận được sau mạch van chỉnh lưu
Id =

1
2π

2π

∫i

d

(θ ) dθ

0

(1.1.2)

Pd= Ud. Id là công suất một chiều mà tải nhận được từ mạch chỉnh lưu.
Ivtb : dòng trung bình qua van

Ung max: điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc
1.2. MỘT SỐ MẠCH CHỈNH LƯU
1.2.1. Chỉnh lưu hình tia hai pha

Khi tải có R + L: Ở trường hợp này tùy góc mở và tải sẽ có hai dạng dòng i d khác
nhau, và được gọi tên riêng là chế độ dòng liên tục và chế độ dòng liên tục gián đoạn.


Hình 1.2.1 Chỉnh lưu hình tia 2 pha tải RL và các chế độ dòng điện
Phương trình dòng diện:
ud = L

did
+ Rid = 2U 2 sin θ
dt

Chuyển sang dạng toán tử Laplace:

(

)

L pI d ( p) − id (0) + RI d ( p) = 2U 2

ω
p +ω2
2

Đặt sơ kiện Id(0)=I0 thay vào phương trình trên:
I d ( p) =

I0
ω
+ 2U 2
p+ R/L
L( p + R / L ) p 2 + ω 2

(

)

Giải phương trình trên với các hàm:
1
1  − bt b


→ 2
e + sin ωt − cos ωt 
2
2
2 
ω
( p + b)( p + b )
ω +b 

1

→ e −bt
p+b

X = ωL
X
tg ϕ =
R
−R

θ

id = I 0 .e X +

−R
θ 

 sin(θ − ϕ ) + sin ϕ .e X 


R2 + X 2 


2U 2

(1.2.1)

Đối với sơ đồ chỉnh lưu 1pha 2 nửa chu kỳ dùng MBA có điểm giữa, tại bất kỳ
thời điểm nào thế điểm M lớn hơn thế điểm N nên không dùng đến diode hoàn năng
lượng vì nó sẽ không thể mở được.
1.2.2. Chỉnh lưu cầu một pha

Mạch chỉnh lưu gồm 4 van Đ1 ÷ Đ2 đấu thành hai nhóm: nhím catốt chung gồm
Đ1Đ3, nhóm anốt chung gồm Đ2Đ4.nguồn xoay chiều đưa vào mạch van có thể lấy trực

tiếp từ lưới điện hoặc thông quá biến áp.


Tại thời điểm góc θ = 0 ÷ α điện áp u 2 < 0 T1T2 dẫn, trong chu kỳ θ = π có T 3T4 dẫn
nên điện áp u2 >0 với cực tính đảo lại.

ud
0
θ
θ
θ
θ
Id

id
Id

iT1,3
iT2,4
α
π+α
R
u2
ud
u1
T1
T3
T2

T4

L

Hình 1.2.2 chỉnh lưu hình cầu 1 pha tải RL và các chế độ dòng điện
Tại thời điểm góc θ = 0 ÷ α điện áp u 2 < 0 T1T2 dẫn, trong chu kỳ θ = π có T 3T4 dẫn
nên điện áp u2 >0 với cực tính đảo lại.
Dòng tải id là dòng liên tục , id = Id
Phương trình mạch tải: u2 + eL = Rid

2U 2 sin θ = Ri d + X
Lấy tích phân từ α → π + α và chia cho π.
Tại θ = α và θ = π + α thì id = Id , ta có:

did
dθ


1 π +α
R π +α
XI
∫ 2U 2 sin θdθ = π ∫α i d dθ + π I∫ did
π α
d

d

Ud = RId



Ud =
Trong đó

2 2U 2
cos α
π

Trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp:

1 π+α 2
1 π +α 2
I2 =
∫ i d dθ = π ∫α I d dθ
π α

1.2.3.

I2 = Id
Chỉnh lưu hình tia ba pha

Hình 1.2.3. chỉnh lưu hình tia 3 pha tải RL và các chế độ dòng điện
Mạch van gồm 4 tiristor T 1T2T3 mắc thành một nhóm, ở đây là kiểu catốt chung,
do vậy chúng sẽ hoạt động theo quay luật dẫn. Điện áp xoay chiều đưa vào mạch van là
nguồn ba pha đối xứng ua, ub, uc.
Điện áp ud xuất hiện giai đoạn âm, giá trị trung bình của điện áp này:


U dα = U d 0 cos α = 1.17U 2 cos α

Dòng điện id phẳng do giả thuyết Ld lớn (thường giá trị Ld=∞) và có trị số bằng:
Id =

U dα
Rd

λ=

Dòng điện qua mỗi van tồn tại trong khoảng
Id, song giá trị trung bình của van là Itbv = Id/3.

2π
3

và cũng có trị số tức thời bằng

Dòng điện pha nguồn chính là dòng đi qua van mắc vào pha đó. Trên hình diễn tả
dòng iA là dòng chảy qua nguồn pha A được mắc với tiristo T 1. Dòng này là dòng một
chiều.
Góc điều khiển giới hạn đã rút gọn:
sin[30o − (α gh − ϕ )] = sin[30o + (α gh − ϕ )]e

−

2π
3Q

(1.2.2)
1.2.4. Chỉnh lưu cầu ba pha

Hình 1.2.4. chỉnh lưu hình cầu 3 pha tải RL và các chế độ dòng điện
Điện áp ud không dựng cụ thể trên đồ thị chỉ thể hiện sự biến thiện của hai điện áp:
điện áp ở điểm catot chung ukc khi các van nhóm lẻ thay nhau dẫn, và điện áp ở anot
chung uac khi các van nhóm chẵn dẫn. Từ hai điện áp này ta suy ra điện áp u d = ukc - uac.
Ta vẫn thấy điện áp u d có đoạn âm khi ukc < uac (đường ukc nằm thấp hơn đường u ac). Giá
trị trung bình Ud:


U dα = U d 0 cos α = 2.34U 2 cos α

id = I d =

Dòng điên tải id vẫn coi là phẳng :

U dα
Rd

(1.2.3)

Dòng điện qua mỗi van dẫn trong khoảng 2π/3 với giá trị tức thời bằng I d, song trị
số trung bình Itbv=Id/3.
Dòng điện pha nguồn là dòng đi qua 2 van mắc vào pha đó. Trên đồ thị thể hiện
dòng pha A do hai đoạn dòng qua T 1 và T4 tạo thành. Ta thấy dòng nguồn là dòng xoay
chiều, đây chính là ưu điểm của sơ đồ cầu so với sơ đồ hình tia.
Góc điều hiện giới hạn biến đổi thành biểu thức cụ thể sau:
sin[60 − (α gh − ϕ )] = sin[60 + (α gh − ϕ )]e
o

o

−

π
3Q

(1.2.4)
1.2.5. Chỉnh lưu bán điều khiển
1.
Chỉnh lưu cầu 1 pha

a, chỉnh lưu cầu bán điều khiển tiristo mắc catot chung
Nhóm catot chung là các tiristo nên chúng được mở ở các thời điểm α của nó.
Nhóm anot chung là van diot nên chúng luôn mở tự nhiên theo điện áp nguồn: Đ 1 mở khi
u2 bắt đầu âm; Đ2 mở khi u2 bắt đầu dương. Do vậy sự dẫn của các van trong chu kỳ dưới
là:
•

Trong khoảng α÷π :T1Đ2 dẫn.

•

Trong khoảng π÷(π+α): T1Đ1 dẫn do ở π, θ1 mở tự nhiên làm θ2 khóa.

•

Trong khoảng (π+α)÷2π: T2Đ1 dẫn, T2 được phát xung mở ở điểm. (π+α) và
dẫn làm cho T1 khóa.

•

Trong khoảng 2π÷(2π÷α): T2Đ2 dẫn, Đ2 mở tự nhiên ở điểm 2π.

Qua đây ta thấy có hai đoạn có hiện tượng dẫn thẳng hang của hai van: T 1Đ1 và
T2Đ2, do đó ở những đoạn này tải bị ngắn mạch nên u d=0 (các đoạn còn lại u d bám theo
điện áp nguồn). Như vậy dòng id vẫn liên tục, song song i2 lại đứt đoạn do dòng tải id
chảy quấn qua 2 van thẳng hang mà không về nguồn. Điều này có lợi về khía cạnh năng
lượng, vì năng lượng khồn bị trả về nguồn mà giữ lại trong tải.


Hình 1.2.5. Chỉnh lưu cầu bán điều khiển tiristo mắc catot chung và đồ thị
Dạng điện áp ud trở lại giống như chỉnh lưu điều khiển với tải thuần trở, do vậy
quy luật ud là:
U dα = U d 0

1 + cos α
1 + cos α
= 0.9U 2
2
2

Id =

Dòng tải:

(1.2.5)

U dα
Rd

Các van dẫn một khoảng đều nhau là π, do vậy trị số trung bình của dòng qua van

vẫn là Id /2.
B, Chỉnh lưu cầu bán điều khiển, tiristo mắc thẳng hàng
Trong sơ đồ này các diốt Đ 1,Đ2 vẫn mở tự nhiên ở đầu các nửa chu kỳ: Đ 1 mở khi
u2 âm; Đ2 mở khi u2 dương. Các tiristo mở theo góc α, Tuy nhiên các van khóa theo
nhóm: Đ1 dẫn sẽ làm T1 (cùng nhóm catot chung) khóa, T 1 dẫn thì Đ1 khóa. Tương tự Đ2
dẫn thì T2 khóa và ngược lại.


Hình 1.2.6 Chỉnh lưu cầu bán điều khiển, tiristo mắc thẳng hàng và đồ thị
Do vậy có các giai đoạn là:
•
•

Trong khoảng α÷π :T1Đ2 dẫn ud=u2.

Trong khoảng π÷(π+α): Đ1Đ2 dẫn, Đ1 dẫn ở π và làm T1 khóa, T2 chưa dẫn nên
Đ2 còn mở chưa khóa.

• Trong khoảng (π+α)÷2π: T2Đ1, T1 dẫn làm Đ2 khóa, ud=-u2.
• Trong khoảng 2π÷(2π÷α): T2Đ2 dẫn.

Ta thấy có 2 đoạn có van mắc thẳng hàng dẫn với nhau là Đ 1Đ2, tải lại bị ngắn
mạch nên vẫn có ở các đoạn này: ud=0
Dạng điện áp ud tương tự sơ đồ trước nên:
U dα = 0.9U 2

1 + cos α
2

(1.2.6)

U
I d = dα
Rd

Song đồ thị dẫn của van cho thấy chúng dẫn không đều nhau:
Tiristo dẫn trong khoảng (π-α);
Diot dẫn trong khoảng (π+α);
Vì vậy dòng trung bình qua van là:
I tbtiristo =
I tbdiot

1
2π

1
=
2π

∫

π

α

∫

I d dθ =

π +α

0

π −α
Id
2π

π +α
I d dθ =
Id
2π

2. Chỉnh lưu cầu ba pha

(1.2.7)
(1.2.8)


Hình 1.2.7 Chỉnh lưu bán điều khiển cầu 3 pha và đồ thị
Khi làm việc, các diốt chuyển mạch tự nhiên, còn các tiristo chuyển mạch tại các
góc điều khiển α. Khi α<60o điện áp ud luôn lớn hơn 0. Nhưng khi α>60 o sẽ xuất hiện các
giai đoạn 2 van mắc thẳng hàng dẫn đồng thời:
U dα = U d 0 cos α = 1.17U 2 cos α θ1 θ 2

÷ : T3Đ3 dẫn;

θ3 θ 4
÷ : T1Đ1 dẫn;
θ5 θ6
÷ : T2Đ2 dẫn;

Do vậy trong các đoạn này điện áp u d = 0 và dòng điện id chảy trong tải mà không
chảy về nguồn nên năng lượng được giữ lại ở tải, không bị trả về nguồn.
Quy luật điện áp Udα có thể suy ra từ lý luận mạch cầu tương đương 2 mạch chỉnh
lưu hình tia nối tiếp:
•

Chỉnh lưu hình tia 3 pha điều khiển gồm T1, T2, T3 cho điện áp:
U dα = U d 0tia .cos α = 1.17U 2 cos α

•

Chỉnh lưu hình tia 3 pha không điều khiển gồm Đ1, Đ2, Đ3, cho điện áp:
U d 0 = U d 0tia = 1.17U 2

Vậy tổng lại:

U dα = U d 0tia + U d 0tia .cos α = U d 0tia (1 + cos a) = 1.17U 2 (1 + cos a)

Vì chỉnh lưu cầu có
cầu ta có:
U dα = U d 0 cau

U d 0 = 2U d 0 tia = 2.34U 2

1 + cos α
1 + cos α
= 2.34U 2
2
2

nên quy đổi biểu thức trên sang dạng

(1.2.8)
Mạch cầu 3 pha bán điều khiển có ưu điểm là điều khiển đơn giản hơn, tiết kiệm
năng lượng hơn. Song cũng có nhược điểm là số đập mạch trong toàn dải điều chỉnh bằng
3: mđm = 3, chỉ ở α = 0 mới có mđm = 6 như sơ đồ cầu điều khiển.


CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ CƠ BẢN MẠCH ĐỘNG
LƯC
2.1. ĐIỆN ÁP NGƯỢC CỦA VAN
Ungmax = 2.45 .U2 =2,45x220=539(V)
Ta có:
U dα =

3 6
1 + cos(α + 30°)
U2
2π
3

Trong đó: Ud0 : Điện áp tải của van khi α=0
U 2 : trị số hiệu dụng của điện áp pha cuộn thứ cấp biến áp nguồn
(U2=220V)
Ungmax : Điện áp ngược của van.
U dα

: Điện áp tải của van khi α (

Từ đó ta có: α = 41

U dα

=100V)

°

Để chọn van theo điện áp hợp lý thì điện áp làm việc cần chọn phải lớn hơn
điện áp ngược max.
Ulv = kdt u . Ungmax = 1,8 × 539 = 970.2 (V)
Trong đó: kdt u : hệ số dự trữ ( kdt u =1,5÷ 1,8)
2.2. DÒNG ĐIỆN LÀM VIỆC CỦA VAN
Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van
I2 = Ihd

Dòng điện hiệu dụng Ihd = khd . Id = khd .

Pd
Ud

= 0,58 .

7,5.103
100

=43.50(A)

Trong đó: khd : Hệ số xác định dòng điện hiệu dụng.(khd =0,58)
Ihd : Dòng điện hiệu dụng của van.

Id : Dòng điện tải.


Ilv = ki . I2 = 1,4×43.50 = 60.91 (A)
Trong đó: Ki : hệ số dự trữ dòng điện. ki=(1,1÷1,4)
Vậy thông số van là: Unv = 376.92 (V)
Idm v = 60.90 (A)