Thiết kế nguồn ổn áp xoay chiều một pha

Chơng 1

Giới thiệu chung về thiết bị
ổn áp xoay chiều
1. Khái niệm chung:
Các bộ ổn áp điện xoay chiều là các thiết bị điện tự động
duy trì đại lợng điện áp xoay chiều đầu ra không đổi khi điện
áp đầu vào thay đổi trong một phạm vi nhất định.
Mỗi thiết bị tiêu thụ điện năng đợc chế tạo để làm việc ở
một cấp điện áp xác định, gọi là điện áp định mức. Trong thực
tế, điện áp lới cung cấp luôn biến động trong một phạm vi cho
phép, ví dụ ( 0,8 1,2 ).Uđm . Nếu thiết bị điện làm việc ở lới
điện không ổn định, đặc tính của thiết bị sẽ không ổn định
theo, tuổi thọ của nó giảm, vì vậy các bộ ổn áp đảm bảo cung
cấp điện áp ổn định cho các thiết bị công tác.
Chất lợng của bộ ổn áp đợc đánh giá bằng hệ số ổn định
và độ méo của dạng sóng đầu ra. Hệ số ổn định của ổn áp là:
Kôđ =
Trong đó: UV , UR là điện áp định mức đầu vào và đầu ra.
UV , UR là độ dao động của điện áp đầu vào và
đầu ra.
Nếu Kôđ càng nhỏ thì độ ổn định càng tốt.
Chất lợng điện áp còn đợc đánh giá qua độ méo của nó so với
điện áp đầu vào hình sin, nếu điện áp ra bị méo (không sin)
thì ngoài thành phần sóng cơ bản ( bậc một ), nó còn có các
sóng hài bậc cao, ảnh hởng đến chế độ làm việc của thiết bị
và gây nhiễu cho lới điện.
Có nhiều kiểu ổn áp xoay chiều với các nguyên lý làm việc
khác nhau. Chúng thờng đợc phân làm 2 nhóm: nhóm ổn áp
thông số (không có điều khiển) và nhóm ổn áp bù (có điều
1

khiển). Dới đây ta xét đặc điểm của một số loại ổn áp thờng
gặp.
2. ổn áp sắt từ :
Nguyên lý của ổn áp này rất đơn giản, gồm hai cuộn kháng
nối tiếp nhau, một cuộn tuyến tính và một cuộn phi tuyến. Điện
áp vào đạt trên cả hai cuộn, còn điện áp ra lấy trên cuộn phi
tuyến nên có giá trị ổn định hơn.
Nhợc điểm của sơ đồ ổn áp này là điện áp đầu ra thấp hơn
điện áp đầu vào và dòng từ hoá lớn vì cuộn kháng bão hoà. Hệ
số ổn định của sơ đồ này cao, chất lợng ổn áp thấp.

L 1

UV

L 2

UR

ổn áp sắt từ trớc đây thờng dùng cho mục đích gia dụng
hoặc cho các tải thuần trở, công suất từ vài tram đến vài ngàn
VA. Hiện nay loại này không thể cạnh tranh đợc với các loại khác có
nhiều u điểm hơn.
3. ổn áp kiểu Supvolter (Biến áp tự ngẫu):
a- ổn áp kiểu Supvolter nhảy cấp:
Nguyên lý làm việc của loại này đợc trình bày nh hình vẽ. Nó
gồm một bộ chuyển mạch dới tải đấu với một biến áp tự ngẫu có
nhiều mức đầu vào. Khi điện áp ra thay đổi, cơ cấu lấy tín

hiệu từ điện áp ra và so sánh với trị số mẫu (điện áp ra định
mức) và cấp tín hiệu cho bộ điều khiển. Bộ điều khiển có
nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu so sánh và điều khiển bộ chuyển

2


mạch để chọn nấc thích hợp cho điện áp ra gần trị số định
mức nhất.
Đặc điểm của loại ổn áp này là điện áp ra nhảy cấp (cỡ 2%
điện áp định mức), dạng sóng hình sin. Bộ chuyển mạch làm
việc dới tải nên chế độ chuyển mạch nặng nề (hồ quang lớn). Vì
thế thời gian chuyển mạch phải nhanh, tuổi thọ phải cao. Để
dòng điện khỏi bị ngắt quãng khi chuyển mạch, cần có thêm các
phần tử phụ (điện trở, điện kháng) nối thêm vào các nấc, tơng
tự nh ở bộ chuyển mạch dới tải trong các máy biến áp truyền tải.

C M

U

A T

U

V

Đ K

R

SS

ổn áp kiểu này có bộ chuyển mạch khá cồng kềnh, phức tạp,
vì vậy ít đợc chế tạo cho dãy công suất thấp, Với công suất lớn, bộ
chuyển mạch và máy biến áp tự ngẫu đợc đặt trong dầu biến
áp, vì vậy dập hồ quang dễ hơn. Những bộ ổn áp công suất
đến vài trăm ngàn VA, điện áp đến 6 000V kiểu nhảy cấp đợc
chế tạo, cấp nguồn cho các máy biến áp phân phối.
b- ổn áp vô cấp kiểu tự ngẫu kết hợp với bán dẫn
Nguyên lý làm việc của loại này đợc trình bày nh hình vẽ.

3


T1

T2

U

AT

U

R

V

Đ K

SS

Thay cho bộ chuyển mạch nhảy cấp, ngời ta dùng hai thyristor
đấu song song ngợc và nối tiếp với đầu vào của máy biến áp tự
ngẫu. Khi điện áp ra biến động, bộ so sánh sẽ phát tín hiệu để
bộ điều khiển thay đổi góc mở của thyristor
c- ổn áp khuếch đại từ
Nguyên lý làm việc của ổn áp này đợc trình bày trên hình vẽ
Ura = (Uvào - UKĐT)KAT
trong đó:

UKĐT là điện áp rơi trên khuếch đại từ
KAT là hệ số biến áp tự ngẫu AT.
Bằng cách thay đổi dòng điều khiển một chiều trong cuộn
dây điều khiển, điện kháng của KĐT thay đổi nên sụt áp trên
nó cũng thay đổi để đảm bảo điện áp ra không đổi.
Khi điện áp ra lớn, dòng điểu khiển phải bé để lõi thép của
KĐT ít bị từ hóa, điện kháng của nó sẽ lớn, nên sụt áp trên nó sẽ
lớn. Khi điện áp ra bé, quá trình điều khiển sẽ ngợc lại, nghĩa là
cần dòng điều khiển lớn.

4


K Đ T

U

w

V

w

đk

U

UR

AT

đk

Đ K

Ưu điểm: không có phần chuyển động, điện áp ra đỡ méo
hơn so với trờng hợp cắt góc nh Thyristor.
Nhợc điểm: cấu tạo phức tạp (phần khuếch đại từ), khối lợng tơng đối lớn.
Với phần phản hồi là mạch bán dẫn, ngời ta chế tạo loại ổn áp
ba pha công suất đến vài chục kVA, có phạm vi ổn áp rộng (với
Uvào từ 0,85 đến 1,1)độ ổn định tốt: (Ura = Uđm 1%Uđm)

d- ổn áp kiểu Servomotor.
Bộ phận chính của ổn áp loại này là một biến áp tự ngẫu quay,
do động cơ chấp hành (servomotor) kéo chổi than để thay
đổi điện áp. Sơ đồ nguyên lý trình bày trên hình vẽ:

M
U

V

U

R

A T

Đ K

SS

5


Điện áp ra cấp điện cho bộ phận so sánh (SS) sẽ cấp tín hiệu
cho bộ điều khiển (ĐK). Bộ điều khiển có nhiệm vụ khuếch đại
tín hiệu so sánh và điều khiển động cơ quay chổi than để
điều chỉnh điện áp ra. Động cơ sẽ ngừng quay khi không có tín
hiệu điều khiển, nghĩa là điện áp ra đạt trị số định mức.
Bộ so sánh bằng linh kiện bán dẫn, kích thớc nhỏ gọn. Động cơ
chấp hành công suất bé (cỡ vài chục wat), qua hộp giảm tốc có tỉ
số truyền khá lớn kiểu trục vít dễ dàng dừng chính xác.
Ưu điểm: kích thớc nhỏ gọn, điện áp ra hình sin, công suất
không tải nhỏ.
Nhợc điểm: chổi than chóng mòn, có thể phát sinh hồ quang.
Vì động cơ chấp hành bé, phải qua bộ giảm tốc với tỉ số truyền
lớn nên thời gian tác động chậm (đến háng giây) không đáp ứng
đợc các tải cần thời gian tác động nhanh. Mỗi bộ chổi than chỉ

chịu đợc dòng điện đến 50A (nếu chổi than có tiết diện lớn
thì dễ gây ra ngắn mạch cục bộ giữa hai vòng dây cạnh nhau
của MBA tự ngẫu)
Hiện nay ổn áp kiểu này đợc dùng khá rộng rãi, nhất là cho
điện áp gia dụng có công suất từ vài trăm VA đến vài trăm ngàn
VA, cả loại một pha và ba pha.
1.4. ổn áp kiểu bù
Nguyên lý làm việc của ổn áp kiểu bù đợc trình bày trên hình
vẽ. Phơng trình cân bằng điện áp có dạng :
U ra = Uv Ub
Ub

U

V

U

R

Điện áp bù Ub đợc lấy từ một máy biến áp bù, thờng đợc cấp
nguồn từ phía điện áp ra và đợc điều khiển từ phía điện áp ra.
6


Khác với ổn áp khuếch đại từ, điện áp bù trong trờng hợp này có
thể đổi dấu, bù lợng thiếu , thừa của điện áp vào. Nếu điện áp
vào thấp thì Ub có trị số dơng, còn khi điện áp vào có trị số lớn
hơn định mức thì Ub có trị số âm, vì vậy điện áp ra sẽ ổn
định.

Công suất của ổn áp kiểu bù phụ thuộc vào công suất của máy
biến áp bù và lớn hơn nhiều lần so với MBA bù. Ví dụ với ổn áp bù
một pha,điện áp cần bù là 40V, dòng điện tải là 20A thì dung lợng của biến áp bù và dung lợng của ổn áp bù sẽ là:
Sb = 40 . 20 = 800VA ; SOA = 220 . 20 = 4400VA
Điện áp ra của ổn áp kiểu bù này là hình sin, kích thớc nhỏ gọn
nên đợc chế tạo trong dãy công suất lớn, đến vài trăm kVA.

Chơng 2

đề xuất và lựa chọn phơng án
thiết kế nguồn ổn áp xoay chiều một pha
I - Đề xuất các phơng án tổng thể :
Thiết bị ổn áp xoay chiều một pha có rất nhiều chủng
loại nhng xét về mặt kinh tế và yêu cầu kỹ thuật ngày
7


càng cao thì việc ứng dụng các linh kiện bán dẫn, điện tử
công suất để thiết kế luôn có tính u việt hơn cả và nó
cũng đợc sử dụng rộng rãi trong thực tế hiện nay.
Căn cứ vào các tham số yêu cầu về nguồn ổn áp xoay chiều
một pha cần thiết kế:
Điện áp ra

Dòng tải

Điện áp

Tần số

max

vào

điện áp

(A)

(V)

(Hz)

18

380

60

(V)
127

cos
0,82

Đồng thời căn cứ trên những khái niệm về ổn áp xoay chiều và
các chủng loại mạch ổn áp xoay chiều thờng gặp trong thực tế,
vận dụng các kiến thức điện tử công suất đã học em đã đề xuất
đợc các phơng án tổng thể thiết kế nguồn ổn áp xoay chiều
một pha nh sau:
1. Phơng án 1:

Dùng một bộ điều áp xoay chiều gồm hai thyistor đấu song
song ngợc và nối tiếp với đầu vào của máy biến áp tự ngẫu. Khi
điện áp ra biến động thì bộ so sánh sẽ nhận biết sự biến động
đó và phát tín hiệu để bộ điều khiển thay đổi góc mở
thyristor giữ cho điện áp ra không đổi.
Phơng án này có u điểm là điều chỉnh vô cấp, cấu tạo mạch
lực đơn giản, thời gian tác động nhanh, tuổi thọ cao.
Tuy nhiên nhợc điểm của phơng án là điện áp ra không sin, độ
méo cao, muốn có đợc điện áp ra sin ta phải cho qua khâu lọc
thành phần bậc cao.

8


T 1

T 2

U

V

= 380V + 20%
A T

Đ K

U

R

= 127V

SS

2. Phơng án 2:
áp dụng phơng pháp ổn áp bằng cách tự động thay đổi hệ số
biến đổi của máy biến áp tự ngẫu.
Nguyên lý làm việc của loại này đợc trình bày nh hình vẽ. Nó
gồm một bộ chuyển mạch dới tải đấu với một biến áp tự ngẫu có
nhiều mức đầu vào. Khi điện áp vào thay đổi, cơ cấu lấy tín
hiệu từ điện áp vào và so sánh với trị số mẫu (điện áp vào máy
biến áp tự ngẫu để có điện áp ra định mức) và cấp tín hiệu
cho bộ điều khiển. Bộ điều khiển có nhiệm vụ khuếch đại tín
hiệu so sánh và điều khiển đóng mở các cặp Thyristor để chọn
nấc thích hợp cho điện áp ra gần trị số định mức nhất.
Đặc điểm của loại ổn áp này là điện áp ra nhảy cấp (cỡ 2%
điện áp định mức), dạng sóng hình sin. Bộ chuyển mạch làm
việc dới tải nên chế độ chuyển mạch nặng nề. Để dòng điện
khỏi bị ngắt quãng khi chuyển mạch, cần có thêm các phần tử
phụ (điện trở, điện kháng) nối thêm vào các nấc, tơng tự nh ở
bộ chuyển mạch dới tải trong các máy biến áp truyền tải.
u điểm của phơng án này là không dùng chuyển mạch tiếp
xúc cơ khí nên khắc phục đợc sự phóng tia lửa điện, chuyển
mạch bằng khoá điện tử, thời gian chuyển mạch nhanh, tuổi thọ
cao, điện áp ra có dạng sin.

9

T1

T2

T4

UV
380V + 20%

T3

T5

T6

A T

SS

U R = 127V

Đ K

Nhợc điểm của phơng pháp là do điều chỉnh nhảy cấp nên
muốn cho sai lệch của điện áp ra ít thì phải dùng nhiều cấp
đầu vào, nghĩa là phải dùng nhiều cặp Thyristor đấu song song
ngợc dẫn đến mạch cồng kềnh, điều khiển đóng mở các
Thyristor phức tạp.
3. Phơng án 3:
ổn áp xoay chiều một pha bằng phơng pháp điều biến

độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)
Điều mong muốn là làm thế nào để vừa điều chỉnh
đợc điện áp ra mà vẫn giảm nhỏ đợc ảnh hởng của các
sóng hài bậc cao.
Biện pháp điều biến độ rộng xung nhằm đáp ứng yêu
cầu trên. Nội dung chính của biện pháp này nh sau:
- Tạo một sóng dạng hình sin u m , ta gọi là sóng điều
biến, có tần số bằng tần số mong muốn.
- Tạo một sóng dạng tam giác, biên độ cố định u p, ta gọi
là sóng mang có tần số lớn hơn nhiều (thờng là bội ba) tần
số sóng điều biến.
10


- Dùng một khâu so sánh để so sánh u m và up . Các giao
điểm của hai sóng này xác định khoảng tác động của
xung điền khiển tiristor hoặc transistor công suất.
Ngời ta chia điều biến độ rộng xung thành hai loại:
- Điều biến độ rộng xung đơn cực: điện áp ra trên tải là
một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số 0 và +E
trong nửa chu kỳ dơng và 0 và -E trong nửa chu kỳ âm.
- Điều biến độ rộng xung lỡng cực: điện áp ra trên tải là
một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số E.
Tỉ số giữa biên độ sóng điều biến và biên độ sóng
mang, ký hiệu là M, đợc gọi là sóng điều biến, M = A m/Ap.
Điều chỉnh Am cũng chính là điều chỉnh độ rộng xung.
Khi M = 1 thì điện áp ra tải nhỏ nhất. Muốn giảm nhỏ
điện áp ra ta giảm nhỏ Am.
is
+E

D

1

T

1

i

T

2

D

2

T

3

D

3

L+R
u

0

D

4

T

4

Nội dung của phơng án này có thể tóm tắt bằng sơ đồ khối
nh sau:

N ăng l ợ ng
x o a y c h i ều

N ăng l ợ ng
m ộ t c h i ều

N ăng l ợ ng
x o a y c h i ều

Năng lợng điện xoay chiều sẽ đợc chỉnh lu thành năng lợng
điện một chiều để đi vào bộ điều biến và cuối cùng cho ra lại

11


năng lợng điện xoay chiều có tính chất ổn định điện áp nh
mong muốn.
u điểm của phơng án này là hiện đại, cho ra đợc chất lợng ổn

định điện áp tốt và điều chỉnh liên tục.
Tuy nhiên nhợc điểm của phơng án là sơ đồ phức tạp. Quá
trình ổn áp phải thực hiện nhiều khối chức năng (chỉnh lu, tạo
xung, tạo sóng, biến đổi biên độ, lọc ... ), mạch điều khiển phức
tạp. Mặt khác, do phải qua hai lần biến đổi dạng năng lợng và
qua nhiều khâu chức năng nên tổn hao năng lợng của phơng án
này lớn. Do vậy, phơng án này chỉ thích hợp với nguồn ổn áp có
công suất lớn.
4. Phơng án 4:
áp dụng phơng pháp ổn áp bằng cách tự động thay đổi hệ số
biến đổi của máy biến áp tự ngẫu kết hợp với các bộ điều áp
xoay chiều một pha, ta đa ra phơng án mạch lực nh hình vẽ:

T3

II

AT
UV
380V + 20%

u2

T4
T5

III

u3

T6
T1

I
T2

U

R

= 127V

u1

12


Sơ đồ khối của mạch lực :

U

B i ến á p
tự n g ẫ u

V

Đ i ều á p
x o a y c h i ều

U

R

Trong sơ đồ mạch lực, ta chọn các đầu ra sao cho giá trị điện
áp hiệu dụng của các đầu ra sẽ là :
U1 = 106 V 20% = 102 V 127 V
Khi đầu vào
là
U2 = 159 V 20% = 127 V 191 V
U V = 380V
20%
U3 = 127 V khi đầu vào là UV = 380V.
Hoạt động của sơ đồ sẽ nh sau:

Khi điện áp đầu vào là điện áp chuẩn của lới điện có
giá trị hiệu dụng bằng UV = 380V thì chỉ có cặp Thyristor
T5&T6 ở đầu ra số III hoạt động, còn hai cặp Thyristor còn
lại ( T1&T2 và T3&T4 ) sẽ bị khoá, không hoạt động.
Góc điều khiển của cặp Thyristor T5&T6 là = 0, điện
áp ra sẽ hoàn toàn sin và có giá trị đúng bằng giá trị yêu
cầu.
U

R

127. 2

t

127. 2

Khi điện áp đầu vào dao động lệch khỏi giá trị hiệu
dụng 380 V và biến thiên trong khoảng 20% thì cặp
Thyristor T5&T6 ở đầu ra số III sẽ bị khoá, không hoạt động.
Lúc này hai cặp Thyristor T1&T2 và T3&T4 sẽ đồng thời hoạt
động, ta sẽ phải điều khiển góc biến thiên theo một quy

13


luật nào đó theo sự biến thiên của điện áp vào để cho
điện áp ra có giá trị hiệu dụng đợc giữ không đổi.
U

R

u2

u1


0

t



Dạng điện áp ra của sơ đồ ổn áp sẽ có dạng nh trên đồ
thị . Ta thấy điện áp ra có dạng gần giống với dạng hình sin
nên không cần phải qua khâu lọc. Chất lợng điện áp ra khá
tốt.

Khi điện áp vào biến thiên ở mức cao nhất : U V = 380V +
20%.380V thì chỉ có cặp Thyristor T1&T2 hoạt động, còn
hai cặp còn lại bị khoá. Điện áp ra sẽ đúng bằng hình sin
127 V, dạng điện áp hoàn toàn sin.
Tơng tự, khi điện áp vào biến thiên ở mức thấp nhất: U V
= 380V - 20%.380V thì chỉ có cặp Thyristor T3&T4 hoạt
động, còn hai cặp còn lại bị khoá. Điện áp ra sẽ đúng bằng
hình sin 127 V, dạng điện áp hoàn toàn sin.
Phơng án này có u điểm là cho dạng điện áp ra gần giống với
dạng sin, chất lợng điện áp tốt, điều khiển vô cấp, cấu tạo mạch
lực khá đơn giản, tuổi thọ của mạch cao do không có tiếp xúc
chuyển mạch cơ khí. Mạch có chế độ hoạt động cho trờng hợp
điện áp đầu vào đúng với điện áp chuẩn, có thể cho dạng điện
áp ra hoàn toàn sin.
II- Lựa chọn phơng án thực thi :
Qua đề xuất và phân tích u nhợc điểm của các phơng án, ta
quyết định chọn phơng án thứ 4 là phơng án thực thi khá đơn
giản và có nhiều u điểm nổi bật hơn so với các phơng án khác,
phù hợp với nguồn ổn áp xoay chiều một pha yêu cầu thiết kế có
công suất bé.
14

III- Tiến hành thiết kế mạch lực và xác định quy luật
điều khiển cho phơng án đã chọn:

T 3

T 4

T 5

T 6

T 1

T 2

II

A T
U V
380V + 20%

u2
III

u3
I

U

R

= 127V

u1

S o sá n h

Đ i ều k h i ển

Trên sơ đồ mạch lực nh hình vẽ, để dễ thuyết minh ta đánh
số 3 cặp Thyristor lần lợt nh sau:
+ Bộ số I : cặp Thyristor T1&T2 t ơng ứng với đầu ra I
của máy biến áp tự ngẫu.
+ Bộ số II : cặp Thyristor T3&T4 tơng ứng với đầu ra
II của máy biến áp tự ngẫu.
+ Bộ số III : cặp Thyristor T5&T6 tơng ứng với đầu ra
III của máy biến áp tự ngẫu.
Ta cần xác định quy luật điều khiển đóng mở các cặp
Thyristor trên theo sự biến động của biên độ điện áp vào để
điện áp ra có biên độ không đổi và có giá trị nh yêu cầu.
Khi điện áp vào có giá trị hiệu dụng là U V = 380V thì điện
áp ở các đầu ra I, II, và III của biến áp tự ngẫu tơng ứng có giá
trị: UI = 106V, UIII = 127 V, UII = 159V. Nh vậy, hệ số biến đổi
điện áp qua máy biến áp tự ngẫu AT của các đầu ra I, II, và III tơng ứng sẽ là:
15


KI = = = 3,585.

KII = = = 2,39.
KIII = = = 2,992.
Quy luật điều khiển của sơ đồ sẽ nh sau:
1. Các trờng hợp đặc biệt:
*

Khi điện áp đầu vào là điện áp chuẩn của lới điện có giá

trị hiệu dụng bằng UV = 380V thì chỉ có cặp Thyristor T5&T6 ở
đầu ra số III hoạt động, còn hai cặp Thyristor còn lại ( T1&T2 và
T3&T4 ) sẽ bị khoá, không hoạt động.
Góc điều khiển của cặp Thyristor T5&T6 là = 0, điện áp ra
sẽ hoàn toàn sin và có giá trị đúng bằng giá trị yêu cầu.
Đây là trờng hợp đặc biệt thờng xảy ra và có ý nghiã thực tế :
lúc điện áp vào đã ở mức chuẩn và ổn định thì ta không cần
phải điều chỉnh và điện áp ra sẽ có dạng sin đúng nh điện áp
vào.
*

Khi điện áp vào biến thiên ở mức cao nhất : U V = 380V +

20%.380V thì chỉ có cặp Thyristor T1&T2 hoạt động với góc
điều khiển = 0 , còn hai cặp còn lại bị khoá. Điện áp ra sẽ
đúng bằng hình sin 127 V, dạng điện áp hoàn toàn sin.
* Tơng tự, khi điện áp vào biến thiên ở mức thấp nhất: U V =
380V - 20%.380V thì chỉ có cặp Thyristor T3&T4 hoạt động với
góc điều khiển = 0 , còn hai cặp còn lại bị khoá. Điện áp ra sẽ
đúng bằng hình sin 127 V, dạng điện áp hoàn toàn sin.

16

U

R

127. 2




t

127. 2

2. Trờng hợp điện áp đầu vào biến động khác với các trờng hợp đặc biệt trên:
Khi giá trị hiệu dụng của điện áp đầu vào biến động lệch
khỏi giá trị 380 V và biến thiên trong khoảng 20% thì cặp
Thyristor T5&T6 ở đầu ra số III sẽ bị khoá, không hoạt động. Lúc
này hai cặp Thyristor T1&T2 và T3&T4 sẽ đồng thời hoạt động,
ta sẽ phải điều khiển góc biến thiên theo một quy luật nào đó
theo sự biến thiên của điện áp vào để cho điện áp ra có giá trị
hiệu dụng đợc giữ không đổi.
Phân tích quy luật biến đổi điện áp khi hai bộ Thyristor I và
II cùng hoạt động nh sau:
Trớc tiên ta xét trong trờng hợp tổng quát là Thyristor T3 và T4
không đóng lại ngay khi điện áp đổi dấu. Gọi là góc dẫn của
T3, T4.
Đồ thị điện áp và dòng điện ra tải nh sau xét từ thời điểm t
=0:

17


U

t

u2

u1

0



t





It




T 2 d ẫn

T 4 d ẫn

t
0


T 1 d ẫn


T 3 dẫn


Ta xét theo từng giai đoạn nh sau:
1) Giai đoạn 0 :

Van T1 mở, điện áp trên tải là

ut = uI = UIm sint ( UIm = 106 V 20% )
Dòng điện tải tuân theo quy luật :
i1 =
Trong đó:
(s) = 1,85 ms
Hệ số C1 xác định từ điều kiện đầu i1(t=0) = 0.
2) Giai đoạn từ + : Khi van T3 mở ra làm cho van T1
khoá lại. Điện áp trên tải trở thành:
ut = uII = UIIm sint ( UIIm = 159 V 20% )

18


Giải tơng tự giai đoạn 1 nhng dịch gốc toạ độ tính toán sang

đúng điểm T3 mở ra thì điều kiện đầu cho dòng điện ở giai
đoạn 2 là: i2(0) = i1().
Thyristor T3 sẽ dẫn một góc xác định theo điều kiện i2(t =
) = 0.
Do van T3 vẫn dẫn đợc quá thời điểm 1800 nên không đợc
phép phát xung mở cho T2 ở thời điểm này để tránh gây ngắn
mạch một đoạn dây quấn của máy biến áp tự ngẫu. Van T2 chỉ
đợc phép mở khi van T3 đã khoá lại rồi.
3) Giai đoạn từ + + :

Cho van T2 mở ra, điện áp

ra tải trở về bằng uI : ut = uI . Ta lại tiếp tục dịch gốc tính toán
sang điểm +

để có điều kiện đầu vẫn là i(0) = 0. Tuy

nhiên có khác giai đoạn 1 là điện áp nguồn đặt lên mạch ở thời
điểm van T2 bắt đầu dẫn lúc đó đã khác không.
4) Giai đoạn 4 : Từ điểm + cho đến + +
T4 mở ra, van T2 bị khoá lại. Điện áp trên tải lúc này là điện áp
ut = uII.
Sau đó quá trình tiếp tục lặp lại, do T4 tiếp tục dẫn qua khỏi
thời điểm 2 nên khi điện áp trong mạch của Thyristor đã về
không nhng dòng điện vẫn cha về không.
Tính điện áp ra hiệu dụng theo công thức định nghĩa:
URahd =
=>

U2Rahd =

U2Rahd =
= . (*)

19


Trong ®ã:
+ URahd lµ gi¸ trÞ hiÖu dông cña ®iÖn ¸p ra t¶i.
+ U 1m ,U2m lµ gi¸ trÞ biªn ®é cña ®iÖn ¸p ra t¹i c¸c
®iÓm I vµ II sau m¸y biÕn ¸p tù ngÉu
+ I1 =

= U22m.

= U22m..
+ I2 = = U21m.
= U21m.
+ I3 = = U22m.
= U22m..
Suy ra:
I1 + I2 + I3 = U21m. +
+ U 22m..
= (U22m - U21m). + .
Thay vµo (*) ta cã:
U2Rahd =
=>

Trong ®ã:

 - cos(2+).sin =
 - cos(2+).sin =

(**)

URm lµ gi¸ trÞ biªn ®é ®iÖn ¸p ra t¶i.

20


Phơng trình (**) vừa tìm đợc cho ta quy luật điều khiển
giữa góc theo các giá trị điện áp U1m , U2m (phụ thuộc điện áp
vào) để cho điện áp ra tải URm không đổi.
Trong phơng trình còn đại lợng góc trùng dẫn , việc xác định
góc theo góc điều khiển và điện áp vào gặp nhiều khó khăn
do đó ta tìm cách khống chế sự dẫn của các van sao cho khi
điện áp về đến không thì van cũng bị khoá lại,dòng điện bị
cắt . Lúc đó ta có: = - .
Dạng điện áp ra lúc này nh đồ thị:
U

t

u2

u1

0

t







Mặt khác ta có quan hệ giữa các điện áp ra sau máy biến áp
tự ngẫu và điện áp vào:
;
Thay vào (**) ta có:
( - ) - cos(2+-).sin(-) =
Để đơn giản ta lại đặt:
k1 =
k2 =
Từ đó rút ra đợc:

21


-+ =
=>

Uvm = URm.

Chia cả 2 vế cho để có quan hệ hiệu dụng:
Uv = URahd.

=>
(***)

Phơng trình (***) chính là quy luật quan hệ giữa giá trị hiệu
dụng điện áp vào và góc điều khiển để cho điện áp ra giữ
giá trị hiệu dụng không đổi: URahd = 127 (V)
Điện áp vào hiệu dụng : Uv = 380 20% = 304 456 (V)
Sử dụng phần mềm Matlab ta vẽ đợc đồ thị quan hệ UV() nh
hình vẽ:

22


Ta cần xác định luật điều khiển = f(UV) để từ đó thiết kế
một mạch điều khiển điều khiển sự thay đổi của góc theo
điện áp vào sao cho điện áp ra giữ mức không đổi.
Do quan hệ tìm đợc có dạng phi tuyến khó thực hiện đợc
mạch điều khiển nên ta căn cứ vào đồ thị quan hệ vừa tìm đợc
để xấp xỉ thành 3 đoạn thẳng tuyến tính .
Lập trình trong Matlab theo phơng pháp xấp xỉ bình phơng
cực tiểu để thực hiện việc xấp xỉ trên. Do đồ thị trên đợc tính
toán trong Matlab, phần mềm ứng dụng này cho ta các cặp giá
trị ( ; UV) cụ thể, nên việc xác định các hệ số của các đờng
tuyến tính xấp xỉ có dạng: = A + B.UV rất dễ dàng. Ta xác
định đợc 3 đoạn thẳng tuyến tính nh hình vẽ:

23


Xác định 3 đoạn thẳng tuyến tính trong Matlab bằng cách :

+ Trớc hết ta lấy các cặp giá trị (U i,i) của đoạn đờng cong cần xấp xỉ và ta xấp xỉ đoạn đờng cong đó thành đờng thẳng theo phơng pháp bình phơng cực tiểu.
+Để chính xác hơn, trên đồ thị ta xoay các đoạn
thẳng (thay đổi hệ số trong phơng trình đờng thẳng xấp xỉ)
cho đến khi trùng với đoạn đờng cong và lấy hệ số góc đó.
Quy luật điều khiển của góc theo giá trị hiệu dụng của
điện áp vào nh sau:
- 891 + 3.UV
=

Nếu UV = 304 318 V

- 159,89 + 0,687.UV

Nếu UV = 318 447 V

- 855 + 2,24.UV

Nếu UV = 447 456 V

Đơn vị của góc điều khiển ở trên là độ.
24


Để thuận lợi trong tính toán xác định giá trị các linh kiện trong
mạch điều khiển, ta đổi đơn vị của góc ra Radian. Khi đó
quy luật điều khiển sẽ nh sau:
0,0523.UV - 15,55 (Rad)

Nếu UV = 304

318 V
=

(Rad)

Nếu U V = 318

0,039.U V - 15,438 (Rad)

Nếu U V = 447

0,012.U V - 2,789

447 V
456 V
III- Tiến hành thiết kế mạch điều khiển cho phơng án đã
chọn:
Từ quy luật điều khiển đã xác định, ta tiến hành thiết kế
mạch điều khiển theo sơ đồ khối nh sau:
P X o a y c h i ều

ĐF

UTự a
L ợ n g đ ặt

Ss

DX

KĐ X

M ạ ch V an
L ực

tải

R

P hản hồi

Trong đó chức năng các khâu nh sau:
1. Khâu ĐF:
Khâu đồng pha, còn gọi là khâu đồng bộ. Khâu này có
chức năng xác định điểm gốc để xác định góc điều khiển ,
vì vậy nó có góc pha liên hệ chặt chẽ với góc pha của điện áp
mạch lực .
Khâu đồng pha còn làm nhiệm vụ cách ly giữa mạch lực
điện áp cao với mạch lực điện áp thấp.

25