đồ án điện tử công suất

Đồ án điện tử công suất SVTH Nguyễn Hữu Tuấn GVHD Nguyễn Văn Đoài

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
Nam
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH
phúc

Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt
Độc lập-Tự do-Hạnh

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
ĐỀ TÀI:Thiết kế bộ nguồn cấp điện liên tục phần chỉnh
lưu UPS
Các thông số kĩ thuật:
Công suất ra
: 35 (KW)
Uvào
: 220 (VAC)
Ura
: 220 (VDC)
Tần số (f)
: 50 (HZ)
Thời gian lưu điện (t)
: 50 phút
Loại ắc quy lưu điện
: axits loại kín

1


Đồ án điện tử công suất SVTH Nguyễn Hữu Tuấn GVHD Nguyễn Văn Đoài

Lời nói đầu
Ngày nay trong các nhà máy công nghiệp hiện đại ,các thiết bị điện tử công
suất ngày càng được sử dụng nhiều.Việc thay thế các phần tử động có tiếp
điểm và kích thước lớn bằng các phần tử tĩnh không có tiếp điểm,kích thước
nhỏ,công suất lớn đã làm cho các thiết bị máy móc công nghiệp phát triển lên
một tầm cao mới . Đó là nhiêm vụ của điện tử công suất.
Sinh viên nghành tự động hoá không thể không biết về điện tử công suất
nên việc học điên tử công suất là hết sức cần thiết.Trong quá trình học tập ở
trên lớp do thời gian có hạn nên không thể tìm hiểu được nhiều về môn học
quan trọng này,chính vì vậy làm đồ án môn học sẽ đã chúng em hiểu thêm
được rất nhiều về môn học cũng như các bài toán thực tế.
Trong quá trình làm đồ án này em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới
thầy giáo hướng dẫn: NGUYỄN VĂN ĐOÀI . Thầy đã giúp đỡ và hướng dẫn rất
tận tình giúp em hoàn thành được đồ án này.
Mặc dù em đã cố gắng rất nhiều ,song không thể tránh khỏi thiếu sót và
sai lầm nhất định.Em rất mọng nhận được sự góp ý và chỉ bảo tận tình của các
thầy cô trong bộ môn.Em xin trân thành cảm ơn.
Quảng Bình ngày 12 tháng 02 năm 2017
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Hữu Tuấn
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ
TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN LIÊN TỤC UPS
1. Cung cấp năng lượng điện cho những tải quan trọng:
Trong thực tế có rất nhiều những nơi đòi hỏi phải được cung cấp điện một cách
liên tục như:phòng cấp cứu ở các bệnh viện ,phòng máy tính lưu trữ thông tin,
…Nếu để mất điện kết quả sẽ không lường trước được.Yêu cầu đặt ra là phải
cung cấp điện một cách liên tục.
Trong mạng lưới điện có rất nhiều nguyên nhân có thể gây mất điện đột xuất
như:sét đánh vào đường dây,vào trạm phân phối điện,máy phát điện;Cành cây

rơi vào gây ngắn mạch và đứt dây;Sự hư hỏng trong hệ thống cung cấp;…
2. Yêu cầu và giải pháp dùng UPS:
Điều cần chú ý trước hết của những sự cố và những hậu quả của nó về phương
diện :
An toàn cho con người
2


Đồ án điện tử công suất SVTH Nguyễn Hữu Tuấn GVHD Nguyễn Văn Đoài

An toàn cho thiết bị ,nhà xưởng
Mục tiêu vận hành kinh tế
Từ đó phải tìm cách loại bỏ nhưng sự cố ra khỏi hệ thống.Có nhiều giải pháp kĩ
thuật khác nhau,những giải pháp này được so sánh trên cơ sở của 2 tiêu chuẩn
sau để đánh giá:
Liên tục cung cấp điện
Chất lượng cung cấp điện
Phụ tải ưu tiên thông thường có các thiết bị điện tử nhạy cảm đòi hỏi việc
cung cấp liên tục,yêu cầu một “Giao diện công suất” giữa nguồn cung cấp và
tải,nó cung cấp một điện áp mà không có bất kì sự cố nào dù rất nhỏ ảnh
hưởng đến hệ thống cung cấp trong phạm vi sai số cho phép về biên độ và tần
số.Bộ nguồn có chức năng làm việc tin cậy như vậy là UPS(Unteruptible power
system).
3.Chức năng của UPS:
Hoạt động như một giao diện giữa hệ thống cung cấp và những tải nhạy cảm.
UPS cung cấp cho tải một năng lượng điện liên tục,chất lượng cao,không phụ
thuộc mọi tình trạng của hệ thống cung cấp.
UPS tạo ra một điện áp cung cấp tin cậy:
Không bị ảnh hưởng của những sự cố của hệ thống cung cấp , đặc biệt khi hệ
thống cung cấp ngừng hoạt động.

phạm vi sai số cho phép tuỳ theo yêu càu của thiết bị điện tử nhạy cảm.
UPS có thể cung cấp điện áp tin cậy, đọc lập và liên tục thông qua các khâu
trung gian:Acquy và chuyển mạch tĩnh.

4.Phân loại UPS:
a. UPS tĩnh tĩnh và quay:
UPS tĩnh:
Sử dụng những bộ chuyển đổi tĩnh thực hiện chức năng nghịch lưu.
HTCC2

HTCC1

~

=
=

Chỉnh lưu/nạp

acquy

3

~

nghịch lưu

tải

Đồ án điện tử công suất SVTH Nguyễn Hữu Tuấn GVHD Nguyễn Văn Đoài

UPS quay:
Sử dùng máy điện quay để thực hiện chức năng nghịch lưu.

chuyển mạch tĩnh

HTCC2
~

HTCC1

=

=

acquy

chỉnh lưu
~

~

M

nghịch lưu

G

M

G

điều khiển

=

Bộ nạp
b. UPS gián tiếp(off-line)và UPS trực tiếp(on-line):
Off –line UPS:
Tải
F

HTCC

~

=

nghịch lưu

~
=

Lọc

=

chỉnh lưu/nạp

acquy

4


Đồ án điện tử công suất SVTH Nguyễn Hữu Tuấn GVHD Nguyễn Văn Đoài

Trong quá trình vận hành bình thường ,nguồn lưới cung cấp trực tiếp cho tải
thong qua bộ lọc F mà không qua nghịch lưu.
Không đáp ứng được với các phụ tải như:các trung tâm máy tính,tổng đài điện
thoại,và không điều chỉnh được tần số.
On-line UPS:

~
HTCC

=
=

~

chỉnh lưu/nạp

Nghịch lưu

TẢI

acquy

Việc cung cấp điện được liên tục trong phạm vi sai số cho phép của tần số và

điện áp,không phụ thuộc vào trạng thái của HTCC hơn nữa trong hệ thống có
chuyển mạch tĩnh nênkhông có sự cố,hỏng hóc nếu tải buộc phải được chyển
trực tiếp về HTCC chính.Sơ đồ này dung cho công suất trung bình và
cao(>40KVA).

5.Các thành phần của UPS:

5


Đồ án điện tử công suất SVTH Nguyễn Hữu Tuấn GVHD Nguyễn Văn Đoài

6.Nhiệm vụ và yêu cầu kĩ thụât đối với bộ chỉnh lưu:
Nhiệm vụ:Biến điện áp từ xoay chiều sang một chiều để:
Cung cấp cho nghịch lưu
Nạp thường trực cho acquy
Yêu cầu kĩ thuật:
Điện áp nguồn:220 VAC; tần số:f=50hz
Công suất: 35KW
Điện áp ra: 220 VAC
CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN BỘ ẮC QUY CHO NGUỒN UPS
I. Giới thiều chung về ắc quy.
Ăc-quy là loại bình điện hoá học dùng để tích trữ năng lượng điện và làm
nguồn điện cung cấp cho các thiết bị điện như động cơ điện, như bóng đèn,
làm nguồn nuôi cho các linh kiện điện tử.v.v… Các tính năng cơ bản của ăcquy: .Sức điện động lớn ,ít thay đổi khi phóng nạp điện. .Sự tự fóng điện bé
nhất. .Năng lượng điện nạp vào bao giờ cũng bé hơn năng lượng điện mà ăcquy phóng ra . .Điện trở trong của ăc-quy nhỏ .Nó bao gồm điện trở của các
bản cực ,điện trở dung dịch điện fâncó xét đén sự ngăn cách của các tấm ngăn
giữa các bản cực .Thường trị số điện trở trong của ăc-quy khi đã nạp điện đầy
là 0.001Ω đến 0.0015Ω và khi ăcquy phóng điện hoàn toàn là 0.02Ω đến
0.025Ω. Có hai loại ăc-quy là: ăc-quy a-xit (hay ăc-quy chì) và ăc-quy kẽm (ăcquy sắt kền hay ăc-quy cadimi-kền) .Trong đó ăc-quy a-xit được dùng fổ biến

và rộng rãi hơn.
1.Cấu tạo của ăc-quy a-xit: Các bộ fận chủ yếu của ăc-quy a-xit gồm:
-Các lá cực dương làm bằng được ghép song song với nhau thành một bộ
chùm cực dương. PbO2 --Các lá cực âm làm bằng Pb được ghép song song với
nhau thành một bộ chùm cực âm. Bộ chùm cực âm và chùm cực dương đặt
6


Đồ án điện tử công suất SVTH Nguyễn Hữu Tuấn GVHD Nguyễn Văn Đoài

xen kẽ nhau theo kiểu cài răng lược ,sao cho cứ lá cực âm rồi đến một lá cực
dương .
-Lá cách đặt giữa các lá cực âm và lá cực dương để tránh hiện tượng chập
mạch giữa các điện cực khác dấu.
n-vỏ bình điện ăc-quy thường làm bằng cao su cứng ( êbonit ) đúc thành hinh
hộp ,chịu được khí nóng lạnh ,va chạm mạnh và chịu a-xit.Dưới đáy bình có
các đế cao để dắt các lá cực lên ,khi mùn của chất hoạt động rụng xuống thì
đọng dưới rãnh đế ,như vậy tránh được hiện tượng chập mạch giữa các điện
cực do mùn gây ra.Nắp đậy ăc-quy cũng làm vỏ cao su cứng ,nắp có các lỗ để
đổ điện dịch vào bình và đầu cưc luồn qua . Nút đậy để điện dịch khỏi đổ ra.
-Cầu nối bằng chì để nối tiếp các đầu cực âm của ngăn ăc-quy này với cực
dương của ngăn ăc-quy tiếp theo.Quá trình biến đổi năng lượng của ăc-quy :
Ăc-quy là nguồn có tính chất thuận nghịch ,nó tích trữ và giải phóng năng
lượng dưới dạng điện năng .Quá trình ăc-quy cung cấp điện năng cho mạch
ngoài gọi là quá trình phóng điện ,quá trình ăc-quy được dự trữ năng lượng
được gọi là quá trình nạp điện. Ắc-quy a-xit.Loại ăc-quy này có bản cực dương
là đi-ô-xít chì ,các bản cực âm là chì, dung dịch điện phân là a-xit sunfuaric .
Phản ứng hoá học biểu diễn quá trình chuyển hoá năng lượng của ăc-quy :
PbO2 + Pb + 2 SOH 42 ( 2OH ) ↔ 2PbSO4 + 4 2OH
a.Quá trình nạp điện cho ăc-quy : Khi đổ dung dịch a-xit sunfuric vào các ngăn

của bình thì trên các bản cực sẽ sinh ra một lớp mỏng chì sunfat :
PbSO4 PbO + → + SOH 42 PbSO4 2OH
II. Tính toán và lựa chọn cho ắc quy.
Căn cứ vào đầu ra của bộ chỉnh lưu độc lập nguồn dòng điện, ta có thể
chọn được điện áp đầu vào đặt lên ắcquy.
Dạng điện áp ra của bộ nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện có dạng:

Ta có:
7


Đồ án điện tử công suất SVTH Nguyễn Hữu Tuấn GVHD Nguyễn Văn Đoài

4
U= 2






Ed 2
2
() d
3

2






Ed
3

2

=0,47Ed


Với U=220V=>
Ed=220/0,47=468V.
Nếu sử dụng một nguồn lớn 468V có một ưu điểm là dòng tiêu thụ sẽ nhỏ
nhưng kích thước của bộ chỉnh lưu sẽ là rất lớn, cồng kềnh. Để khắc phục điều
này ta chỉ sử dụng một nguồn áp trung bình

Ed=180VDC để cung cấp cho ăcquy và chỉnh lưu. Sau khi qua bộ chỉnh lưu sẽ
sử dụng một máy biến áp để nâng điện áp lên 220V xoay chiều phù hợp với
tải.
Ắcquy được chọn là loại ăcquy 12. Như vậy ta cần mắc 180/12=15 ắc quy mắc
nối tiếp nhau.
Tình toán dung lương của ắc quy.
Với yêu cầu về công suất của UPS là 35KVA, U=220V ta cần sử dụng máy biến
áp. Nếu coi hiệu suất của máy biến áp là 95% thì hiệu suất phía sơ cấp của
máy biến áp nghịch lưu là:
Sngichluu==36,8 (KVA)
Do tổn hao của các van công suất của bộ biến đổi là không đáng kể do đó ta
có thể coi công suất đầu vào và đầu ra của bộ nghịch lưu là như nhau.
Dòng điện cần thiết để lạp cho ắc quy là:

Id==194 (A)
Dung lượng định mức:
Ah=Id.t=194.=161 (Ah)
Thông thường khi chọn ăcquy phải chọn dung lượng lớn hơn 2 lần dung lượng
định mức. Vậy để đảm bảo cho ăcquy không bị hỏng ta cần chọn dung lượng
của ắcquy là 322A.h
Do trong bộ ắc quy có nội trở trong do đó điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu được
tính như sau:
Ucl=Ud+Ut
Trong đó:
Ucl: điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu.
Ud: điện áp đặt trên hai đầu ắc quy. U d=180VDC
Ut: điện áp tổn hao do nội trở của ắc quy.
Với loại ăcquy 12V ta tra được nội trở trong của ăcquy là r=0,09 Ω.
Vậy nội trở trong của bộ ăcquy là: R=0,09*12=1,08 Ω
Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu là: Ucl=180+194.1,08=389VDC.
III. Phương pháp nạp ăc quy và phương thức điều khiển nạp.
Phương pháp nạp cho ắc quy. Có ba phương pháp nạp ắc qui là
+Phương pháp dòng điện.
+Phương pháp điện áp.
+Phương pháp dòng áp.
Phương pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi.
8


Đồ án điện tử công suất SVTH Nguyễn Hữu Tuấn GVHD Nguyễn Văn Đoài

Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mỗi loại
ắc qui, bảo đảm cho ắc qui được no. Đây là phương pháp sử dụng trong các
xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho ắc qui hoặc nạp sử chữa cho các

ắc qui bị Sunfat hoá. Với phương pháp này ắc qui được mắc nối tiếp nhau
Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng điện không đổi là thời gian nạp
kéo dài và yêu cầu các ắc qui đưa vào nạp có cùng dung lượng định mức. Để
khắc phục nhược điểm thời gian nạp kéo dài, người ta sử dụng phương pháp
nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều nấc
Phương pháp nạp với điện áp không đổi.
Phương pháp này yêu cầu các ắc qui được mắc song song với nguồn nạp. Hiệu
điện thế của nguồn nạp không đổi. Phương pháp nạp với điện áp không đổi có
thời gian nạp ngắn, dòng nạp tự động giảm theo thời gian.Tuy nhiên dùng
phương pháp này ắc qui không được nạp no. Vì vậy nạp với điện áp không đổi
chỉ là phương pháp nạp bổ xung cho ắc qui trong quá trình sử dụng.
Phương pháp nạp dòng áp.
Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên. Nó tận dụng được
những
ưu điểm của mỗi phương pháp.
Đối với ắc qui axit: Để bảo đảm thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì ta
tiến hành nạp theo hai giai đoạn.
Giai đoạn 1: nạp với dòng điện không đổi cho tới khi dung lượng ắcquy bằng
95% dung lượng định mức.
Giai đoạn 2: nạp với áp không đổi cho tới khi ắcquy no thì dừng.
Kết luận :
Vì ắc qui là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho nên
khi ắc qui đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong ắc qui
sẽ tự động dâng nên không kiểm soát được sẽ làm sôi ắc qui dẫn đến hỏng
hóc nhanh chóng. Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn định dòng
nạp cho ắc qui.
Khi dung lượng của ắc qui dâng lên đến 90% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ ổn
định dòng nạp thì ắc qui sẽ sôi và làm cạn nước. Do đó đến giai đoạn này ta lại
phải chuyển chế độ nạp ắc qui sang chế độ ổn áp. Chế độ ổn áp được giữ cho
đến khi ắc qui đã thực sự no. Khi điện áp trên các bản cực cuẩ ắc qui bằng với

điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình
nạp.
Phương pháp điều khiển nạp ăcquy
Sơ đồ khối của mạch điều khiển nạp ăcquy theo hai giai đoạn

U®Æt

§K

B§
9


Đồ án điện tử công suất - Nguyễn Hữu Tuấn ĐHKT Điện – Điện tử k56

CHƯƠNG III:
TÍNH TOÁN LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
I.GIỚI THIỆU CÁC PH ƯƠNG ÁN :

Để biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều thì ta có thể dùng
bộ biến đổi có điều khiển hoặc không điều khiển hoặc điều khiển không đối xứng.Nhưng
với yêu cầu về chất lượng và độ tin cậy của UPS thì ta có các phương án sau:
1.Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng:

U2

U1
0
Ud

T2

T1

0
Id

0
IT2,3
Id

T4

T3

0
IT1,4

0

E

I1,I2

R

L

Giá trị trung bình của điện áp trên tải

Ud 

2 2U 2
cos 



Đồ án điện tử công suất - Nguyễn Hữu Tuấn ĐHKT Điện – Điện tử k56

Giá trị trung bình của dòng điện qua tải:
Ud  E
Id 
R
Giá trị trung bình của dòng chạy qua 1 Tiristor là:

IV 

Id
2

Giá trị điện áp ngược mà Tiristor phải chịu

U ng max  2U 2
GIá trị dòng thứ cấp máy biến áp: I2=1,11Id
Công suất biến áp

Sba 1.23Pd
c.Nhận xét
 Ưu điểm : điện áp ngược đặt lên mỗi van trong sơ đồ nhỏ
 Nhược điểm : không dùng được cho tải có công suất lớn, nếu dùng gây ra hiện

tượng công suất bị lệch pha. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha dòng tải chảy qua hai
van nối tiếp, vì vậy tổn thất diện áp và công suất trên van sẽ lớn. Sơ đồ cầu một
pha hợp với những tải vừa và nhỏ.
2 Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha hình tia:
Giá trị trung bình của điện áp trên tải

Ud 

A

B

C

3 6U 2
cos 
2

Giá trị trung bình của dòng chạy qua tảI là:

U  E
Id  d
R
E

Giá trị trung bình của dòng chạy qua 1 Tiristor là:

I
IV  d
3

Giá trị điện áp ngược mà Tiristor phải chịu

R
T1

T2

T3
L


Đồ án điện tử công suất - Nguyễn Hữu Tuấn ĐHKT Điện – Điện tử k56

U ng max  6U 2
GIá trị dòng thứ cấp máy biến áp: I2=0,58Id
Công suất biến áp

Sba 1.35Pd
 Ưu và nhược điểm của chỉnh lưu tia 3 pha
*Ưu điểm : so với chỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp
một chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc
cao bé hơn.
*Nhược điểm : sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp ra tải chưa thật tốt
lắm, khi cần chất lượng điện áp ra tốt hơn thì dùng sơ đồ nhiều pha hơn.
3.Chỉnh lưu điều khiển đối xứng sơ đồ cầu 3 pha
a.Sơ đồ nguyên lý

U2

G1

G3

G5

G3

G1

G5

G1



B

A

C

G2

G4

G6

G2

G4

G6

G2

Ud

Id
T4

T1

T6

T3

I1,I2
T1

T2

T4

T5

E

R

L

T1

T1
T4

UngT1

Uac

Sơ đồ gồm 6 Tiristor được chia làm hai nhóm:
- Nhóm Katot chung : T1, T3, T5
- Nhóm Anot chung : T2, T4, T6
Góc mở  được tính từ giao điểm của các nửa hình sin

Uab

Uac
Uab


Đồ án điện tử công suất - Nguyễn Hữu Tuấn ĐHKT Điện – Điện tử k56

Giá trị trung bình của điện áp trên tải
Ud 

6
2

5


6



6

2U 2 sind 



3 6U 2
cos 


Giá trị trung bình của dòng điẹn qua tải

U  E
Id  d
R
Giá trị trung bình của dòng chạy qua 1 Tiristor là:

I TBV max 

I d max
3

Giá trị điện áp ngược mà Tiristor phải chịu

U ng max  6U 2

GIá trị dòng thứ cấp máy biến áp: I2=0,816Id
Công suất biến áp

Sba 1.05Pd
Nhận xét :
Điện áp chỉnh lưu là đường cong bám theo đường điện áp dây.dạng dòng điện giống hệt
dạng điện áp khi tải thuần trở,và bị san phẳng khi L=  .
Giới hạn của sự liên tục dòng điện là:




3

Với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển thì điện áp ra Ud ít đập mạch ( trong một
chu kì đập mạch 6 lần ) do đó vấn đề lọc rất đơn giản, điện áp ngược lên mỗi van nhỏ, công
suất biến áp nhỏ nhưng mạch phức tạp nhiều kênh điều khiển.
II.Kết luận và lựa chọn:
Qua phân tích 3 phương án trên ta nhận thấy, phương pháp chỉnh lưu cầu1 pha có ưu
điểm là gọn nhẹ, tiết kiệm được linh kiện, van. Mặc dù chất lượng điện áp chỉnh lưu không
cao bằng sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha nhưng với công suất 35 kW thì có thể dùng sơ đồ một
pha.Do đó ta quyết định chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha. Trong chỉnh lưu cầu 1 pha ta chọn
phương án chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển đối xứng vì yêu cầu độ tin cậy cao,độ ổn định và


Đồ án điện tử công suất - Nguyễn Hữu Tuấn ĐHKT Điện – Điện tử k56

chất lượng điện áp cao. Nếu dùng sơ đồ cầu 1 pha điều khiển không đối xứng thì sẽ tiết
kiệm van hơn nhưng dảI điều khiển góc ỏ sẽ hẹp hơn.
Chương IV : THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC

I. Yêu cầu đối với mạch điều khiển
Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong bộ biến đổi tiristor vì nó

-

đóng vai trò chủ đạo trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy
của bộ biến đổi . Yêu cầu của mạch điều khiển có thể tóm tắt trong
6 điểm chính sau:
+ Yêu cầu về độ rộng của xung
+ Yêu về độ lớn của xung
+ Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung
+ Yêu cầu về sự đối xứng của xung
+ Yêu cầu về độ tin cậy
Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ hơn để tiristor không tự mở khi

-

dòng rò tăng
xung điều khiển ít phụ thuộc vào dao động nhiệt độ , dao động điện

-

áp nguồn
cần khử được nhiễu cảm ứng để tránh mở nhầm

-

+ Yêu cầu về lắp ráp vận hành
Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh

-

Dễ lắp và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập

II. Nguyên lý chung của mạch điều khiển
1. Nhiệm vụ của mạch điều khiển:
Nhiệm vụ của mạch điều khiển là tạo ra các xung vào ở những thời điểm
mong muốn để mở các Tiristor của bộ chỉnh lưu trong mạch động lực.
Tiristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dương đặt trên Anod
và có xung áp dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi tiristor đã mở thì xung
điều khiển không còn tác dụng gì nữa, dòng điện chảy qua tiristor do thông số
của mạch động lực quyết định


Đồ án điện tử công suất - Nguyễn Hữu Tuấn ĐHKT Điện – Điện tử k56

Mạch điều khiển có chức năng :
- Điều chỉnh vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của
điện áp đặt trên Anod – Catod của Tiristor
- Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở tiristor độ rộng xung t x > 10 s
Độ rộng xung được xác định theo biểu thức:
I dt
tx= di / dt

Trong đó Idt: dòng duy trì của Tiristor
di/dt: tốc độ tăng trưởng của dòng tải
Đối tượng cần điều khiển được đặc trưng bởi góc 
2. Cấu trúc của mạch điều khiển Tiristor

-

1

2

SS

1

3

4
T

Uđ
k

Hiệu điện áp uđk-urc được đưa vào khâu so sánh 1, làm việc như một trigơ
Khi uđk-urc = 0 thì trigơ lật trạng thái, ở đầu ra của nó ta nhận được một chuỗi
xung dạng sinus chữ nhật ”
Khâu 2 là đa hài 1 trạng thái ổn định
Khâu 3 là khâu khuyếch đại xung
Khâu 4 là biến áp xung
Bằng cách tác động vào uđk có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển, tức
là điều chỉnh góc 
3. Nguyên tắc điều khiển
Trong thực tế người ta thường dùng 2 nguyên tắc điều khiển: thẳng đứng
tuyến tính và thẳng đứng “arccos” để thực hiện việc điều chỉnh vị trí xung
trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên Tiristor.

a. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính


Đồ án điện tử công suất - Nguyễn Hữu Tuấn ĐHKT Điện – Điện tử k56

UAK

0

t
Urc
t

0

Theo nguyên tắc này, người ta thường dùng 2 điện áp:
Uđk + Urc

-

Uđkáp 1 chiều có thể điều chỉnh được biên độ
Điện áp điều khiển Uđk là điện

-

Điện áp đồng bộ Urc có dạng răng cưa,đồng bộ với điện áp Anod-Catod

Tổng đại số của Urc + Uđk đưa đến đầu vào của một khâu so sánh. Bằng cách
điều chỉnh được góc .

Uđk

t

làm biến đổi Uđk ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra tức là

Khi Uđk = 0 ta có  = 0.
Khi Uđk < 0 ta có  > 0.

Urc

Quan hệ giữa  và Uđk như sau:
U dk
U rc .max

UAK

Uđk+Urc

  .

0

Ur
Uđk

b. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos


Đồ án điện tử công suất - Nguyễn Hữu Tuấn ĐHKT Điện – Điện tử k56

Theo nguyên tắc này cũng có 2 điện áp:
-

Điện áp đồng bộ Urc vượt trước điện áp Anod-Catod Tiristor một góc bằng
/2 ( Nếu UAK = Asinwt thì Ur = Bcoswt)

-

Điện áp điều khiển Uđk là điện áp 1 chiều có thể điều chỉnh được theo 2
hướng

Trên hình vẽ đường nét đứt là điện áp anốt – catốt tiristor, từ điện áp này
người ta tạo ra Urc . Tổng đại số Urc + Uđk được đưa đến đầu vào của khâu so
sánh .
Khi Urc + Uđk = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh :
Uđk + B.cos = 0
Do đó  = arccos(-Uđk/B)
Thường lấy B = Uđk max
Khi Uđk = 0 thì  =/2
Khi Uđk = - Uđk max thì = 0
Như vậy khi cho Uđk biến thiên từ - Uđk max đến + Uđkmax thì  biến thiên từ 0
đến .
Nguyên tắc này được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng
cao.
Nhận xét: Theo yêu cầu thiết kế mạch điều khiển ta thấy nguyên tắc điều
khiển thẳng đứng tuyến tính là phù hợp, ta chọn nguyên tắc điều khiển này.
4.Giới thiệu các khâu
V+

E-

E

a)Khuyếch đại thuật toán
p

V p-

E+

-

S

+

Ud
-

V1

+

E

OA

+
+

V+

V

1

M

M

2


Đồ án điện tử công suất - Nguyễn Hữu Tuấn ĐHKT Điện – Điện tử k56

Vsat
V1

Vsat
Ud

Chế độ làm việc
 Chế độ tuyến tính
V2 = A.ud; A = 104105 là hệ số khuếch đại điện áp. Để thực
hiện chế độ này phải có
Vsat
 ud  A

 Chế độ bão hoà:

Vsat
 ud > A ; V2 = Vsat
Vsat
 ud < A ; V2 = -Vsat

Ứng dụng:
OA được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điều khiển tự động: tạo hàm số, tạo
các bộ điều chỉnh P, PI, PID, tạo các đa hài, các trigơ, các khâu so sánh, v.v..
b. Khâu đồng pha
Đây là khâu có nhiệm vụ xác định thời điểm mốc để tính góc mở . Nó
liên hệ chặt chẽ về pha với điện áp lực. Bên cạch đó nó còn để cách li mạch


Đồ án điện tử công suất - Nguyễn Hữu Tuấn ĐHKT Điện – Điện tử k56

điều khiển và mạch lực ở đầu vào hệ điều khiển. Do vậy mà khối đồng pha có
thể dùng biến áp để cách li hoặc dùng phần tử otocupler (phototransistor).
- Trong khâu này ta chọn biến áp để cách li kết hợp với bộ khuếch đại thuật
toán và diode chỉnh lưu để taọ ra xung đồng bộ.

Sơ đồ mạch:

Ua

D1

U1

+E

R3

+

U2

-

D2

-E
Uo

+E

R5

R6

c. Khâu tạo răng cưa:
Trong thực tế có rất nhiều mạch tạo ra Utựa. Ví dụ:
- Mạch chỉ dùng diode, tụ điện và điện trở ghép lại với nhau như hình 1.
- Mạch dùng transistor và các linh kiện điện tử khác như hình 2.
- Mạch dùng khuếch đại thuật toán như hình 3.

Hình 1.
Hình 2.

Đồ án điện tử công suất - Nguyễn Hữu Tuấn ĐHKT Điện – Điện tử k56

+E

R5

U2

VR1

DZ

0

C1
D3

R4

U3
+E

Udz

-

U2

0

OA2
+

U3

-E

R6
Hình 3.
ở sơ đồ hình 1 ta có một mạch tạo Utựa tương đối đơn giản, dễ lắp đặt, rẻ
tiền nhưng có nhược điểm rất lớn là điện áp răng cưa trải dài quá 1/2 chu kì
của điện áp lưới làm cho việc xác định góc điều khiển từ điện áp răng cưa rất
khó khăn.
ở sơ đồ hình 2 mạch cũng khá đơn giản, điện áp tựa cũng trải ra cả 1/2 chu
kì của điện áp lưới nhưng do đóng mở transistor ở vùng lân cận không nên
mạch hoạt động kém tin cậy.
ở sơ đồ hình 3 do khuếch đại thuật toán hoạt động có độ tin cậy cao nên tạo
ra tín hiệu Utựa có chất lượng rất tốt.
d.Khâu so sánh
Để xác định được thời điểm cần mở Tiristo chúng ta cần so sánh hai tín
hiệu Uđk và Urc. Việc so sánh các tín hiệu đó có thể được thực hiện bằng KĐTT
KĐTT có hệ số khuyếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ (cỡ
V) ở đầu vào, đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi, nên việc ứng dụng KĐTT làm
khâu so sánh là hợp lý. Các sơ đồ so sánh dùng KĐTT trên hình (2.b) và 2.c) rất
thường gặp trong các sơ đồ mạch hiện nay. Ưu điểm hơn hẳn của các sơ đồ
này là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Uđk = Urc.
Urc
Udk

R1

Urc
A3

R2

Udk

R1
A3

R2

Ura

Ura

b.

c.


Đồ án điện tử công suất - Nguyễn Hữu Tuấn ĐHKT Điện – Điện tử k56

e.Khâu khuyếch đại xung
Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristo như đã nêu ở trên, tầng
khuyếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng Tranzitor công suât.Tầng
khuyếch đại cuối cùng bằng sơ đồ darlington như trên hình vẽ thường hay
được dùng trong thực tế. ở sơ đồ này hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu
về khuyếch đại công suất, khi hệ số khuyếch đại được nhân lên theo thông số

của các tranzitor.
R3

Ecs
D2

D3

K
R1

T1
T2
D1
R2

Đối với một số sơ đồ mạch, để giảm công suất cho tầng khuyếch đại và
tăng số lượng xung kích mở, nhằm đảm bảo Tiristo mở một cách chắc chắn,
người ta hay phát xung chùm cho các Tiristo. Nguyên tắc phát xung chùm là
trước khi vào tầng khuyếch đại, ta đưa chèn thêm một cổng và () với tín hiệu
vào nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm .
f.Khâu phát xung chùm điển hình
Trong thiết kế mạch điều khiển, thường hay sử dụng KĐTT. Do đó để đồng
dạng về linh kiện, khâu tạo chùm xung cũng có thể sử dụng KĐTT, như sơ đồ
vẽ dưới đây.

T1

Vsat

kVsat

R1

T2

+E

UC
UC

C
Ur

-kVsat
-Vsat

0A
+
R2
R3

-E

U2


Đồ án điện tử công suất - Nguyễn Hữu Tuấn ĐHKT Điện – Điện tử k56

III.Thiết kế mạch điều khiển:

A.Tính toán các khâu :
1.Tính toán khối đồng pha
Ua
D1

Ua

0

R0

R1

U1

+E
+

D2

U1

OA1
-E

R2
+E

U2

Uo

U2

0

U®p

VR2
0

Sơ dồ nguyên lý khâu đồng pha
Nguyên lý hoạt động của khối đồng pha:
Khi cấp nguồn 220V vào sơ cấp của biến áp đồng pha, phía thứ cấp của
biến áp được hạ áp. Giả sử tại thời điểm ban đầu t = 0, nửa chu kỳ đầu điện áp
dương đặt trên D1, D1 sẽ thông và D2 sẽ bị khoá, nửa chu kỳ sau tại thời điểm
t2=  điện áp xoay đảo dấu và thế dương được đặt vào anốt D 2, D2sẽ thông và
D1bị khoá. Vậy điện áp U1 là điện áp một chiều nửa hình sin.
Điện áp U1 được đưa vào cửa dương của khâu so sánh OA 1 để so sánh với
giá trị điện áp đặt U0 được đưa vào cửa âm của OA1.
Khi U1Khi U1>U0 thì tại cửa ra của OA1 có U2=+Ubh
Như vậy OA1 có nhiệm vụ so sánh điện áp nửa hình sin của U 1 với U0 để tạo ra
trên đầu ra một điện áp âm ,dương liên tiếp dạng xung vuông như hình vẽ.
Tính toán khối đồng pha:


Đồ án điện tử công suất - Nguyễn Hữu Tuấn ĐHKT Điện – Điện tử k56

a. Tính toán.

Chọn góc  =3o
U1 = 12 2 sin(wt)
Khi đó Uo = 12 2 sin(3o) =12 2 *0.0523= 0.89(V)
Mà từ sơ đồ ta có:
U0

R3

E
E
R 2  R3
12
 R2 
1

 1
U0
R3
R3 U 0
= 0.89
13.5

E

R 2  R3

Chọn R2=13,5(k)  R3=1(k)
R1là điện trở hạn dòng chọn R1=10 (k)
Chọn D1,D2 là loại diode thông dụng loại 1N1159 có các thông số:
Uđm=200V

I đm=1(A)
2.Khâu tạo điện áp răng cưa

+E

R5
VR1

U2
DZ
0

C1
D3

R4

+E

U3

-

U2

OA2
+
-E

Udz

U3
0

R6

Sơ dồ nguyên lý khâu tạo điện áp răng cưa
Nguyên lý hoạt động của khâu tạo điện áp răng cưa :
Khi U2 =(-Ubh) điốt D3 mở lúc này tụ C1 được nạp điện theo công thức
Ubh
* t.
UC1= R 4 * C
. Và U3=Uc1.

Khi U2=+Ubh diode D3 bị khoá tụ C1 phóng điện .U3 được xác định theo


Đồ án điện tử công suất - Nguyễn Hữu Tuấn ĐHKT Điện – Điện tử k56

E
* t.
biểu thức:U3=UĐz- ( R5  VR1) * C Tụ C1 phóng điện đến khi

UC~ 0 thì diode Dz làm việc thông như các diode thường giữ cho
U3=UC~ 0 V.
Do sự đóng mở của D3làm tụ C1 phóng nạp tạo ra trên đầu ra của OA2
một điện áp hình răng cưa U3. Độ dốc của răng cưa có thể thay đổi qua
triết áp VR1. Do có điốt zenne (Dz) nên điện áp trên tụ max khi nạp luôn
bằng điện áp ngưỡng trên điốt zenne
Tính chọn khâu răng cưa :

-

Chọn điốt ổn áp loại 1N5346B có điện áp ổn định U DZ =9.1V;Imax=32mA

-

Chọn giá trị tụ C1 = 0.47 F

-

Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C 1 , mặt khác để đảm bảo
điện áp tựa có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì :
+Ta có chu kì lưới là: Tlưới=1/flưới=1/50=20(ms)
+Ta có chu kì của răng cưa là: T rc=Tlưới/2=10(ms)
+Thời gian nạp và phóng của tụ là: tnạp + tphóng =Trc=10(ms)
+ Thời gian tụ nạp(với  =3o )
Tnap 

2*3
.10 0.33(ms)
180

+Thời gian tụ phóng;
Tphóng = T/2 – Tnạp = 10-0.33 = 9.67 (ms)
+Sau khoảng thời gian Tnạp=0,33 ms thì điện áp trên tụ được nạp từ 0
đến 9,1V.Vậy ta có: Khi đó
t

t

1
1 Ubh
1 Ubh
Uc1(t )  ic dt   dt  .
.t
C1 0
C1 0 R 4
C1 R 4
uC1(t=tnạp) =UDZ = 9.1V
Ubh
12.0,33.10  3
R4 
.Tnap 
926
C1.U DZ
0,47.10  6.9,1
=>


Đồ án điện tử công suất - Nguyễn Hữu Tuấn ĐHKT Điện – Điện tử k56

+Khi tụ phóng, giá trị điện áp phóng của tụ giảm từ U DZ đến 0V trong
thời gian phóng T2 .Vậy ta có:
t

1
E
1
E
Uc1(t ) UDz 

dt U DZ 
.t

C1 0 VR1  R5
C1 VR1  R5

Tại t = Tphóng ta có:
U DZ 

1
E
.T phong 0
C1 VR1  R5

=>UDZ

1
E
.T phong
= C1 VR1  R5

VR1  R5 

1 E
12.9,67.10  3
.T phong 
27,13k
C1 U DZ
0,47.10  6.9,1

Chọn VR1=20k 
R5=10k 
R4=930(  )
OA2chọn là vi mạch ỡA 741,D3 loại 1001
3.Khâu so sánh

R18
R19

U

U3
U®k

+E

0

-

OA3
+
-E

Uss

R20
u4

uss

?t


0

D6

?t

U4
0
?t

Sơ đồ nguyên lý khâu so sánh
Nguyên lý hoạt động của khâu so sánh :
So sánh điện áp điều khiển với điện áp răng cưa để tạo ra điện áp ở cửa ra
có dạng chuỗi các xung vuông liên tiếp.