Thiết kế mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha có điều khiển

Mục lục

1


Lời mở đầu
Việt Nam là một quốc gia đang trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa
mạnh mẽ để phát triển. Để đáp ứng cho chu trình đó, không thể không phát triển
các thiết bị điện, điện tử phục vụ cho hầu hết các ngành công nghiệp. Hiểu được
cơ chế hoạt động và cách vận hành, sửa chữa thiết bị là đòi hỏi tối thiểu với mọi
kỹ sư điện.
Điện – điện tử là một chuyên ngành phức tạp, bao gồm rất nhiều vấn đề,
quy tắc nghiêm ngặt cần nhớ và tuân theo. Nếu không khả năng làm hư hỏng
thiệt bị, thậm chí thiệt hại về con người là rất cao.Chỉnh lưu là vấn đề cơ bản của
các hệ thống điện tự động. Chính vì lý do này em đã chọn đề tài: “ Thiết kế
mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha có điều khiển” để cùng mọi người hiểu rõ hơn về
chỉnh lưu nói chung, và mạch chỉnh lưu hình tia nói riêng.
Nội dung của tài liệu gồm 3 chương:
-

Chương 1: Khái quát các vấn đề về chỉnh lưu
Chương 2: Tính toán chọn van mạch chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển
Chương 3: Mô phỏng mạch chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển

2


CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ
CHỈNH LƯU
1.1. Các vấn đề cơ bản về chỉnh lưu
1.1.1. Cấu trúc mạch chỉnh lưu

Chỉnh lưu là một thiết bị điện tử công suất được sử dụng để biến đổi năng
lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều. Ta có sơ đồ cấu
trúc thường gặp:

Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu
Chức năng của các khối:
Khối biến áp: dùng để điều chỉnh điện áp từ lưới thành điện
áp phù hợp cấp cho tải. Và biến đổi số pha của lười nguồi sang số pha
theo yêu cầu của mạch van. Đồng thời còn có chức năng bảo vệ tải khi có
bất kì sự thay đổi ở lưới cũng không ảnh hưởng đến tải.
b)
Mạch van là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách
nào đó để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu.
c)
Lọc san phẳng nhằm đảm bảo điện áp hay dòng điện một
chiều cấp ra tải là bằng phẳng theo yêu cầu.
d)
Mạch điều khiển (MĐK) . Khi mạch van sử dụng van điều
khiển được sẽ có mạch này để điều khiển van dẫn dòng nhằm khống chế
năng lượng ra tải.
e)
Khâu hỗ trợ (KHT) gồm các mạch theo dõi và đảm bảo mạch
chỉnh lưu hoạt động bình thường. Thường là các thiết bị phản hồi giúp
người vận hành biết mạch chỉnh lưu đang hoạt động thế nào để điều
chỉnh.
a)

1.1.2. Phân loại
Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau:
1. Theo số pha nguồn cấp cho mạch van: 1 pha , 2 pha , 3 pha, 6 pha , v.v.

2. Theo loại van bán dẫn:
3


• Mạch toàn điôt là chỉnh lưu không điều khiển.
• Mạch toàn tiristo là chỉnh lưu có điều khiển.
• Mạch gồm cả điôt và tiristo là chỉnh lưu bán điều khiển.

3. Phân loại theo sơ đồ mắc van:
• Sơ đồ hình tia : thì số van bằng số pha nguồn cấp
• Sơ đồ hình cầu: thì số van bằng 2 lần số pha nguồn cấp

1.1.3. Các tham số cơ bản của mạch chỉnh lưu.
1. Về phía tải.
– giá trị trung bình của điện áp nhận được ngay sau mạch van chỉnh lưu:
1.1.1
– giá trị trung bình của dòng điện từ mạch van cấp ra:
1.1.2
– là công suất một chiều mà tải nhận được từ mạch chỉnh lưu.
2. Về phía van.
- là giá trị trung bình của dòng điện chảy qua 1 van của mạch van.
– điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc.
Đây là 2 tham số giúp ta chọn van cho mạch van
3. Về phía nguồn.
Xét về máy biến áp
Ta có công suất biểu kiến của biến áp:
1.1.3
Trong đó:

Các giá trị tính theo giá trị hiệu dụng.

Ta còn 1 tham số đánh giá sự bằng phẳng của điện áp 1 chiều nhận được,
gọi là hệ số đập mạch :
1.1.4
Trong đó:

4


là biên độ sóng hài bậc 1 theo khai triển Fourier của điện áp chỉnh lưu và
là thành phần cơ bản cũng theo khai triển này , cũng chính là giá trị trung bình
của điện áp chỉnh lưu, .
Hiệu suất của bộ chỉnh lưu :
- công suất nhận được phía 1 chiều, công
suất tiêu thụ lấy từ nguồn xoay chiều.
1.1.4. Luật dẫn của van
a)
Nhóm van đấu catot chung:
Van có khả năng dẫn là van có thế a nốt là dương nhất trong số cac van có
catot chung và chỉ dẫn khi thế a nốt dương hơn thế ở catot chung.
b)

Nhóm van đấu a nốt chung:

Van có khả năng dẫn là van có thế ở catot là âm nhất trong số các van có a
nốt chung và chỉ dẫn khi thế ở catot âm hơn thế ở a nốt chung
1.2. Các mạch chỉnh lưu
Tải thực hiện là tải RL và coi nguồn có thành phần điện cảm . Khi có thành
phần điện cảm L thì dạng dòng điện sẽ khác với điện áp ra do tính chất của điện
cảm L chống lại sự biến thiên của nguồn sinh ra nó. Nên dòng điện I sẽ biến
thiên chậm pha hơn so với điện áp nguồn 1 góc:

1.1.5
Sụt áp do điện cảm của nguồn xoay chiều :
1.1.6
– dòng điện qua tải
– thành phần điện cảm của nguồn xoay chiều
m – số pha nguồn cấp cho mạch van.
Góc trùng dẫn γ (tại đó thì có hiên tượng cả 2 van cùng dẫn):
1.1.7
m – số pha
– giá trị hiệu dụng của điện áp nguồn cung cấp
1.2.1. Tia 2 pha
1. Sơ đồ mạch van:

5


Hình 1.2.1 Sơ đồ mạch van tia 2 pha tải RL
2. Biểu thức điện áp nguồn:

3. Đồ thị:

Hình 1.2.2 Đồ thị điện áp nguồn, sau chỉnh lưu và dòng điện sau chỉnh lưu
Theo sơ đồ mạch van và đồ thị ta có:
Trong khảng từ α÷γ: thì T1 được phát xung dẫn với điện áp , T2 đang dẫn
với điện áp => xảy ra hiện tượng trùng dẫn.
Trong khoảng từ γ÷π: T1 dẫn với điện áp
6


Trong khoảng từ π÷(π+α): T2 được phát xung dẫn với điện áp, T1 đang

dẫn với điện áp => xảy ra hiện tượng trùng dẫn.
Trong khảng từ (π+α+γ)÷2π: T2 dẫn với điện áp
a.

Chế độ dòng liên tục

Điện áp sau chỉnh lưu được tính theo biểu thức:
Với (là giá trị hiệu dụng của điện áp nguồn cấp cho mạch van)
Tuy nhiên do có sụt áp do điện cảm , ta có:
Với
Góc trùng dẫn γ:
Vậy:

1.1.8

Quy luật dòng diện:
1.1.9
Dòng trung bình qua tải:
1.1.10
b.

Chế độ dòng gián đoạn

Điện áp sau chỉnh lưu :
1.1.12
Với λ được tính theo biểu thức:
1.1.13
Với:

Quy luật dòng điện trong khoảng 1 van dẫn:

1.1.14
Dòng trung bình qua van:
c.

Chế độ dòng giới hạn:
7


Là chế độ mà dòng điện qua 1 van vừa giảm về 0 thì van tiếp được phát
xung mở van. Các biểu thức tính giống như biểu thức .Từ đó ta có góc điều
khiển giới hạn:
1.1.15
Nếu α> ta có chế độ dòng gián đoạn
Nếu α< ta có chế độ dòng liên tục
Điện cảm giới hạn:
ứng với 1 tải và góc điều khiển xác định
Giá trị điện áp ngược cực đại:

1.1.16

Dòng trung bình qua van

1.1.17

1.2.2. Cầu 1 pha
1. Sơ đồ mạch van:

Hình 1.2.3 Sơ đồ mạch van cầu 1 pha tải RL
2. Biểu thức điện áp nguồn:
3. Đồ thị:

8


Hình 1.2.4 đồ thị điện áp nguồn và sau chỉnh lưu, dòng điện sau chỉnh lưu
Về quy luật điều chỉnh ta có:
Trong khảng từ α÷γ: thì T1,T2 được phát xung dẫn với điện áp(+ , T3,T4
đang dẫn với điện áp => xảy ra hiện tượng trùng dẫn.
Trong khoảng từ γ÷π: T1,T2 dẫn với điện áp (+
Trong khoảng từ π÷(π+α): T3,T4 được phát xung dẫn với điện áp , T1,T2
đang dẫn với điện áp (+ => xảy ra hiện tượng trùng dẫn.
Trong khảng từ (π+α+γ)÷2π: T3,T4 dẫn với điện áp
Các biểu thức tính cũng tương tự như mạch chỉnh lưu hình tia 2 pha ta có:
a.

Chế độ dòng liên tục

Điện áp sau chỉnh lưu được tính theo biểu thức:
Với (là giá trị hiệu dụng của điện áp nguồn cấp cho mạch van)
Tuy nhiên do có sụt áp do điện cảm , ta có:
Với
Góc trùng dẫn γ :
9


1.1.18
Vậy:

1.1.19

Quy luật dòng diện:
1.1.20
Dòng trung bình qua tải:
1.1.21
b.

Chế độ dòng gián đoạn

Điện áp sau chỉnh lưu:
1.1.22
Với λ được tính theo biểu thức:
1.1.23
Với:

Quy luật dòng điện tron khoảng 1 van dẫn:
1.1.24
Dòng trung bình qua van
c.

Chế độ dòng giới hạn:

Là chế độ mà dòng điện qua 1 van vừa giảm về 0 thì van tiếp được phát
xung mở van. Từ đó ta có góc điều khiển giới hạn:
1.1.25
Nếu α> ta có chế độ dòng gián đoạn
Nếu α< ta có chế độ dòng liên tục
Điện cảm giới hạn:
ứng với 1 tải và góc điều khiển xác định
Giá trị điện áp ngược cực đại:

1.1.26

Dòng trung bình qua van

1.1.27

1.2.3. Tia 3 pha
1. Sơ đồ mạch van:
10


Hình 1.2.5 Sơ đồ mạch van tia 3 pha tải RL
2. Biểu thức điện áp nguồn:

Mạch này bắt buộc phải sử dung biến áp để có điểm trung tính đưa ra tải.
Điểm tính góc điều khiển không còn là điểm 0 của điện áp nguồn mà chậm pha
hơn 30° điện tương tự điểm giao nhau giữa các điển áp pha nguồn theo chiều
dương. Xung điều khiển các van lệch nhau 120° điện.
3. Đồ thị:

11


Hình 1.2.6 đồ thị điện áp nguồn và sau chỉnh lưu, dòng điện sau chỉnh lưu
Góc điều khiển giới hạn:
1.2.1
Với :

;

Ở đấy ta phụ thuộc vào góc điều khiển giới hạn để biết quy luật dẫn của
mạch.
Nếu α < ta có chế độ dòng liên tục. Nghĩa là khi dòng qua van này chưa về
0 thì van được phát xung dẫn ngay. Có ảnh hưởng của điện cảm phía nguồn
xoay chiều nên xảy ra hiện tượng trung dẫn trong khoảng γ.
Nếu α > ta có chế độ dòng gián đoạn. Nghĩa là dòng có những đoạn bằng
không. Điện áp cũng có những khoảng gián đoạn nên không có trung dẫn
Nếu α = ta có chế độ dòng giới hạn. Nghĩa là khi dòng quan van này vừa
về 0 thì van kia được phát xung dẫn ngay. Có ảnh hưởng của điện cảm phía
nguồn xoay chiều nên xảy ra hiện tượng trung dẫn trong khoảng γ.
Giá trị trung bình :
1.2.2
12


Trong đó:
: sụt áp trên tải (nếu có)
Dòng trung bình qua tải
Dòng trung bình qua van:
Điện áp ngược max:
1.2.3
Góc trùng dẫn :
1.2.4
1.2.4. Cầu 3 pha
1. Sơ đồ mạch van:

Hình 1.2.7 Sơ đồ mạch van cầu 3 pha tải RL
2. Biểu thức điện áp nguồn:

Mạch này không cần sử dụng biến áp mà có thể đấu trục tiếp vào lưới điện

3 pha. Điểm mốc để tính góc điều khiển là điểm giao nhau của các điện áp pha
nguồn khi chúng ở nửa chu kỳ dương và nửa chu kỳ âm.
3. Đồ thị:
13


Hình 1.2.8 đồ thị điện áp nguồn và sau chỉnh lưu, dòng điện sau chỉnh lưu
Có thể coi quy luật dẫn của mạch chỉnh lưu cầu giống với chỉnh lưu hình
tia 3 pha chỉ khác lúc này ta có 2 mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha dẫn cho mỗi nửa
chu kỳ của điện áp nguồn. Sụt áp gấp đôi so mới chỉnh lưu hình tia do có 2 van
cùng tham gia dẫn dòng ra tải.
Góc điểu khiển giới hạn:
1.2.5
Với :

;

Giá trị trung bình :
1.2.6
Trong đó:
: sụt áp trên tải
Dòng trung bình qua tải
Dòng trung bình qua van:
Điện áp ngược max:
1.2.7
14


Góc trùng dẫn:
1.2.8

1.2.5. Chỉnh lưu bán điều khiển
a)
Cầu 1 pha:
1. chỉnh lưu cầu bán điều khiển với tiristo mắc catot chung

Hình 1.2.9 sơ đồ mạch van bán điều khiển với tiristo mắc catot chung, tải
RL

15


Hình 1.2.10 đồ thị dòng điện và điện áp
Biểu thức điện áp nguồn:
Theo sơ đồ mạch van ta thấy mở khi bắt đầu âm, mở khi bắt đầu dương.
Ta có quá trình dẫn van như sau:
• Trong khoảng α ÷ π : dẫn
• Trong khoảng π + (π+α) : dẫn, ở π là điểm mở tự nhiên của làm

khóa ngay => bị ngắn mạch tải.
• Trong khoảng π+α ÷ 2π: dẫn, dẫn thì khóa ngay.
• Trong khoảng 2π ÷ 2π+α: dẫn, dẫn thì làm cho khóa ngay =>
ngắn mạch tải
Như vậy thì dòng vẫn liên tục, dòng bị đứt đoạn do dòng tải chảy quẩn
qua 2 van thẳng hàng, không về nguồn => có lợi về mặt năng lượng vì năng
lượng không bị trả về nguồn.
Dạng điện áp giống chỉnh lưu chỉnh lưu điều khiển với tải thuần trở:
16


1.2.9

Dòng trung bình qua tải:
1.2.10
Do mỗi van đều dẫn trong 1 khoảng π, do đó dòng trung bình qua van
1.2.11
2. Chỉnh lưu bán điều khiển mắc tiriso thẳng hàng

Hình 1.2.11 sơ đồ mạch van bán điều khiển mắc tiriso thẳng hàng tải RL

Hình 1.2.12 đồ thị dòng điện và điện áp

17


Theo sơ đồ mạch van ta thấy mở khi bắt đầu âm, mở khi bắt đầu dương.
Tuy nhiên dẫn thì khóa và ngược lại, dẫn thì khóa và ngược lại. Ta có quy luật
dẫn van như sau:
• Trong khoảng α ÷ π : dẫn
• Trong khoảng π + (π+α) : dẫn, ở π là điểm mở tự nhiên của làm

khóa ngay, chưa mở nên chưa khóa => bị ngắn mạch tải.
• Trong khoảng π+α ÷ 2π: dẫn, dẫn thì khóa ngay.
• Trong khoảng 2π ÷ 2π+α: dẫn, dẫn thì làm cho khóa ngay, chưa
mở nên chưa khóa => ngắn mạch tải.
Ta vẫn có những đoạn nên ta có biểu thức giống như trên:
1.2.12
Dòng trung bình qua tải:
1.2.13
Tuy nhiên van dẫn không đều nhau ta có:
Tirsistor dẫn trong khoảng (π - α)
Điot dẫn trong khoảng (π + α)

Do đó ta có dòng trung bình qua van:
1.2.14
1.2.15
b)

Cầu 3 pha:

1. Sơ đồ mạch van:

18


Hình 1.2.13 sơ đồ mạch van bán điều khiển cầu 3 pha

Hình 1.2.14 đồ thị điện áp và dòng điện
2. Biểu thức điện áp nguồn:

19


Khi làm việc các điot chuyển mạch tự nhiên còn tirsistor chuyển mạch tại
góc điều khiển α. Khi α < 60°, điện áp luôn lớn hơn 0. Nhưng khi α > 60° sẽ
xuất hiện các giai đoạn hai van mắc thẳng hàng dẫn đồng thời:
: dẫn
: dẫn
: dẫn
Do vậy trong các đoạn này điện áp , dòng qua tải chảy quẩn qua 2 van
thẳng hàng, không về nguồn => có lợi về mặt năng lượng vì năng lượng không
bị trả về nguồn.
Quy luật điện áp có thể suy ra từ lý luận mạch cầu tương đương với 2

mạch chỉnh lưu hình tia nối tiếp:
Chỉnh lưu hình tia 3 pha điều khiển:
Chỉnh lưu hình tia 3 pha không điều khiển:
Vậy
=

1.2.16

Vì chỉnh lưu cầu có vậy biến đổi biểu thức trên ta có:
1.2.17

20


CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CHỌN LỰA MẠCH VAN
Tính toán thông số cơ bản và tính chọn van mạch lực
Yêu cầu: thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia ba pha tải RL, với U d=110VDC,
Pd=7,5kW.
2.1. Tính toán thông số cơ bản
a) dòng điện tải
có công thức :

b) giá trị điện trở R

c) góc điều khiển thyristor
điện áp công nghiệp thường rơi vào khoảng 220/380V, tần số lưới 5060Hz. Theo yêu cầu thiết kế ta có:

Với ( U2 là giá trị hiệu dụng của điện áp nguồn )
- Nếu điện áp nguồn U2 = 380V:

- Nếu điện áp nguồn 3 pha U2 = 220V:

d) Điện áp ngược trên van:

2.2. Tính chọn van mạch lực
a) Dòng điện lớn nhất chảy qua van:
21


Theo yêu cầu thiết kế, dòng điện trung bình qua van:

Vậy dong qua van sẽ được tính theo biểu thức:

KIv : hệ số dự trữ về dòng điện cho van, ở đây ta chọn KIv = 2

b) Điện áp đặt lên van
Ta có điện áp lớn nhất đặt lên van theo sơ đồ tia 3 pha:

KUv : hệ số dự trữ về điện áp cho van, ở đây ta chọn KUv = 2
- Nếu điện áp lưới xoay chiều là 220 ÷ 240 V:
- Nếu điện áp lưới xoay chiều là 380 ÷ 440 V:

2.3. Van được chọn cho mạch lực

22


CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU TIA 3 PHA CÓ
ĐIỀU KHIỂN
3.1. Mô phỏng

23


3.2. Mạch lực

3.3. Khối hiển thị

24


25