Các khái niệm cơ bản về mô phỏng và các hệ điện cơ 4

Chơng 4
Nghiên cứu mô phỏng các bộ biến đổi trong
hệ điện cơ
4.1. Mô phỏng chỉnh lu nguồn áp xoay chiều hình sin
Chỉnh lu dòng điện xoay chiều đợc hiểu là sự biến đổi
dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Bản chất
của sự chỉnh lu là giữ nguyên chiều của dòng điện qua tải
không phụ thuộc vào chiều của điện áp đặt vào. Thiết bị thực
hiện sự biến đổi đó đợc gọi là chỉnh lu.
Theo nguyên tắc chỉnh lu đợc tạo thành từ các phần tử
chuyển mạch dẫn một hớng (đối với mục đích này thì ngày
nay ngời ta thờng dùng các đi ốt bán dẫn), biến thế dùng để
cách điện giữa mạch vào và mạch ra của chỉnh lu, và các bộ
lọc san phẳng. Lọc ở đầu ra của chỉnh lu thờng đợc dùng các
bộ lọc điện dung( kiểu C) và lọc dạng và dạng LC.
Dựa vào số pha của hệ thống điện đặt vào mà chia ra
chỉnh lu một pha và ba pha. Chúng đợc đặc trng bởi các thong
số sau:
- Giá trị điện áp vào, tần số dòng điện vào và độ lệch
giữa chúng;
- Công suất toàn phần yêu cầu từ mạng vào;
- Giá trị điện áp ra;
- Hệ số đập mạch của điện áp ra;
- Giá trị dòng điện ra và độ lệch của nó so với giá trị định
mức;
- Hiệu suất;
Hệ số đập mạch của chỉnh lu đợc xác định nh là tỉ số
của 2 lần biên độ thành phần xoay chiều và thành phần không
đổi của điện áp ra. Biên độ gấp đôi đợc đo giống nh là tổng
của các biên độ cả chu kỳ dơng và chu kỳ âm của thành phần
điện áp xoay chiều.

4.1.1.Chỉnh lu không điều khiển
Từ số lợng lớn các sơ đồ giải thuật của chỉnh lu chúng ta


chỉ xem xét các sơ đồ đợc ứng dụng nhiều nhất trong các
nguồn phát điện(hình 4.2).
Sơ đồ của chỉnh lu (hình 4.2,a) thờng đợc sử dụng khi
công suất vào dới 10 W và trong các trờng hợp, khi mà hệ số đập
mạch cho phép tơng đối cao. Ưu điểm của sơ đồ này là số lợng
đi ốt ít, nhợc điểm là tần số xung thấp, bằng tần số của dòng
điện vào.
Sơ đồ hai nửa chu kỳ với đầu ra là các điểm giữa (hình
4.2,b)thờng đợc sử dụng khi công suất đầu ra từ 500 W. Ưu
điểm của sơ đồ này là khả năng ứng dụng đi ốt với việc đấu
chung cực âm ở dạng lắp ghép, thậm chí khả năng bố trí các
đi ốt vào bộ tản nhiệt chung. Nhợc điểm bao gồm sự phức tạp
của cấu trúc biến thế do đầu ra lây ở điểm giữa cuộn thứ cấp
và điện áp ngợc chiều tăng đặt vào đi ốt.

a)

b)

c)
Hình 4-1. Các sơ đồ chính của chỉnh lu

2

d)

a)
b)
Hình 4-2. Sơ đồ nhân điện áp, a-Sơ đồ tăng 2 lần hiệu điện
thế, b- sơ đồ tăng 4 lần hiệu điện thế.

Hình 4-3. Sơ đồ 6 pha của chỉnh lu một bán kỳ
Sơ đồ cầu một pha (hình 4.1,c) dợc sử dụng trong dải công
suất rộng (thờng lớn hơn 300W). Ưu điểm của sơ đồ là tần số
đập mạch đợc nâng cao, điện áp ngợc thấp ở các đi ốt, khả
năng làm việc không cần biến thế. Nhợc điểm của sơ đồ là sự
sụt áp trên các đi ốt cao và cần dùng chất lót cách điện khi lắp
đặt đi ốt vào một bộ tản nhiệt.
Sơ đồ cầu 3 pha (hình 4.1,d) có hệ số sử dụng công suất
biến áp cao, giá trị điện áp ngợc ở các đi ốt nhỏ, tấn số đập
mạch của điện áp chỉnh lu cao. Sơ đồ đợc ứng dụng trong dải
công suất ra rộng . Đấu nối cuộn thứ cấp của biến áp theo dạng
hình sao cho phép tránh đợc sự xuất hiện dòng điện cân
bằng khi các điện áp pha không đối xứng. Sơ đồ có thể đợc
ứng dụng không cần biến thế.
Trong các thiết bị cao áp các sơ đồ chỉnh lu đợc ứng dụng
theo hình 4.1,a ữ d, thậm chí cùng với các bộ nhân điện áp dạng
đi ốt-tụ điện (hình 4.2). Biến thế ở trong sơ đồ này đợc ứng
dụng nh khâu trung gian và thực hiện chức năng tăng điện áp
ban đầu. Các đặc trng khối lơng-kích thớc của chỉnh lu cao áp
ảnh hởng lớn đến các đặc tính của nguồn phát điện cao áp,
bởi vì ngoài việc biến đổi điện áp chỉnh lu phải đảm bảo sự
cách điện của mạch cao áp và hạ áp. Phụ thuộc vào giá trị điện
áp ra và công suất ra, mô đun biến thế- nắn dòng sẽ chiếm từ
30-60% khối lợng và thể tích của nguồn phát cao áp.

Sơ đồ 6 pha một chu kỳ (hình 4.3) đợc áp dụng để thu đ3


ợc điện áp thấp (thấp hơn 10 V) khi dòng điện tải đến hàng
trăm Ampe. Cuộn thứ cấp biến thế phải đấu tam giác để loại
bỏ từ hóa cỡng bức của mạch từ. Đập mạch của điện áp ra ở sơ
đồ này giống nh trong sơ đồ cầu 3 pha, nhng biến áp phải đợc
dự tính với công suất lớn hơn. Tính hợp lý của việc áp dụng sơ
đối với điện áp thấp đợc giải thích do sụt áp trên đi ốt ở mỗi
chu kỳ nhỏ hơn 2 lần so với sơ đồ cầu 3 pha.
4.1.1.1. Khái quát chung, nguyên tắc làm việc cơ bản
của bộ chỉnh lu, các bộ lọc san phẳng
Chỉnh lu đơn giản nhất đợc làm bằng đi ốt bán dẫn nối
trực tiếp với tải vào mạch điện xoay chiều (hình 4.1,a). Trong
trờng hợp này tính phi tuyến của đặc tính vôn-ampe của đi ốt
định nghĩa bởi sự chảy qua của dòng điện qua mạch tải chỉ
theo một hớng.
Dới tác dụng của điện áp cực dơng(+ đặt vào anốt của
đi ốt, nh hình 4.1,a) đi ốt mở, sụt áp trên đi ốt nhỏ so với điện
áp vào, còn dòng điện qua tải đợc xác định bởi điện áp vào
và điện trở của tải. Dới tác dụng của điện áp ngợc đi ốt đóng
và dòng điện không qua tải.
Tóm lại, điện áp đầu ra của chỉnh lu đang xét có dạng
đập mạch một nửa chu kỳ, dạng của chúng thực tế lặp lại dạng
dơng của điện áp vào của dòng điện xoay chiều.
Các chỉnh lu đang xét có tên gọi là chỉnh lu nửa chu kỳ.
ứng dụng của chúng bị giới hạn và sử dụng cho các nguồn một
chiều công suất nhỏ, bởi vì chúng đợc đặc trng bởi sự ứng
dụng kém của biến thế lực và lọc san bằng.
Trên sơ đồ 4.1,b là chỉnh lu hai nửa bán kỳ, khi đó trong

mạch tải diễn ra ở cả hai mức chu kỳ điện áp xoay chiều. Các
bộ chỉnh này gọi là chỉnh lu với các đầu ra là các điểm giữa
(điểm không) của các cuộn dây thứ cấp của biến áp.
Sơ đồ ở hình 4.1,c có tên gọi là sơ đồ chỉnh lu cầu. So với
các chỉnh lu có sơ đồ theo hình 4.1,b) thì chỉnh lu theo sơ
đồ cầu chứa số lợng đi ốt gấp 2 lần và đợc đặc trng bởi hao
tổn công suất lớn, tuy nhiên cho phép sử dụng đi ốt với 2 lần
4


giảm điện thế ngợc cho phép. Ngoài ra, sơ đồ chỉnh lu cầu
đợc đặc trng bởi sự ứng dụng tốt của biến thế, do đó dòng
điện đi qua cuộn thứ cấp trong cả hai chu kỳ. Trong các chỉnh
lu có sơ đồ cầu với đầu ra là điểm không trên cuộn thứ cấp
của biến thế, dòng điện tải đi qua lần lợt 2 nửa cuộn dây
giống nhau.Chỉnh lu đợc làm theo sơ đồ cầu về nguyên tắc có
thể nối với mạng dòng điện xoay chiều và không cần biến thế.
Kết nối này đợc ứng dụng trong các trờng hợp khi mà không đòi
hỏi sự cách điện mạch tải của chỉnh lu với mạng cung cấp, còn
điện áp ra của chỉnh lu chỉ đợc xác định bởi điện áp nguồn.
Sơ đồ với sự nhân hiệu điện áp đợc gọi là các mạch chỉnh
lu mà điện áp ra gấp 2-4 lần hoặc lơn hơn nữa giá trị của
điện áp cuộn thứ cấp của biến thế cao áp. Trong vai trò của
nguồn phát bổ sung để tăng điện áp ra ngời ta sử dụng các tụ
điện, các tụ điện tích phóng theo chu kỳ với sự hỗ trợ của đi ốt
bán dẫn.
Trên hình 4.2,a đa ra sơ đồ chỉnh lu một pha với sự tăng
gấp đôi điện áp đợc tạo từ 2 sơ đồ chỉnh lu một pha với đi ôt
VD1 và VD2 va tụ điện C1 và C2. Cả hai chỉnh lu này nối với
nhau, điện áp tổng đợc đặt vào tải. điện áp ở mỗi tụ điện

C1 và C2 gần bằng điện áp ở cuộn ra của biến thế Tp1, còn
điện áp ở tải tăng 2 lần điện áp sau cùng do sự cộng dồn các
hiệu điện trên các tụ điện.
Sự làm việc của chỉnh lu ở mức độ cơ bản đợc xác định
bởi đặc tính tải của nó. Khi đó chỉnh lu có các dạng của dòng
điện khác nhau phụ thuộc vào đặc tính của tải. Tải tích cực
của nguồn điện rất ít gặp và thờng đợc thực hiện khi không
có lọc.
Thờng tải là tích cực -điện dung hoặc là tích cực cảm
ứng. Tải tích cực-điện dung có thể là ống tia âm cực, các thiết
bị điện tử chân không, thiết bị tính toán Tải tích cực cảm
ứng đợc tạo bởi bộ lọc đợc bắt đầu bởi cuộn cảm, còn khi
không có lọc thì tải là thiết bị công nghệ điện tử, cơ cấu
điện từ, động cơ điện
5


Chúng ta xem xét hai phơng án sơ đồ chỉnh lu đợc ứng
dụng nhiều trong nguồn phát điện-sơ đồ hai nửa chu kỳ với
đầu ra điểm trung gian đối với tải RC và RL.
Trong sơ đồ có đầu ra là điểm trung giữa khi làm việc ở
tải tích cực - điện dung (RC)(hình 4.4,a) điện áp ra U ra có
dạng răng ca, còn dạng của các dòng điện i 21 và i22 qua đi ốt
gần giống dạng hình sin.

a)

b)

Hình 4-4. Sơ đồ với đầu ra điểm giữa biến áp (a) và giản đồ

làm việc của nó trên tải tích cực- điện dung
Dòng điện tổng của hai nửa cuộn thứ cấp i 2tong = i21 - i22
6


không có thành phần một chiều, vì vậy dòng i 1 của cuộn thứ
cấp trùng với dạng của dòng i2tong, còn sự tăng biên độ dòng điện
của cuộn sơ cấp lớn hơn biên độ của dòng điện tổng đợc xác
định bởi hệ số biến đổi n của biến áp.
Dòng i21 và i22 không vợt mức theo thời gian vì vậy giá trị
hiệu dụng I1 của cuộn sơ cấp.
I1 = n 2 I diot

(4.1)
Công suất biên PTP của biến thế đối với sơ đồ đang xét là:
U


PTP = 0,5 n 2.I diot . 2 + 2 I diot .U 2 ữ = 1, 7.I diot .U 2 2.Pdau _ ra
n



(4.2)
ở đây U2- điện áp ở nửa cuộn thứ cấp của biến thế; -công
suất ra của chỉnh lu.
Từ đây rõ ràng rằng công suất biên của vợt qua công suất
ra khoảng 2 lần. Biên độ điện áp ngợc trên mỗi điốt tăng lên 2
lần biên độ điện áp trên nửa cuộn thứ cấp của biến thế.
Với tải tích cực-cảm ứng trong sơ đồ vơi đầu ra điểm

giữa (hình 4.4,b) điện áp ra U ra có dạng hình bao của các giá
trị dơng của điện áp trên nửa cuộn thứ cấp. Các dòng điện của
nửa cuộn thứ cấp i21 và i22 có dạng gần giống hình chữ nhật,
còn dòng điện tổng i2tổng có dạng khúc khửu. Theo hình dạng,
dòng điên i1 trùng với dòng điện i2tong, còn theo giá trị thì khác
nhau n lần. Giá trị hiệu dụng của dòng điện cuộn sơ cấp:
I1 = n 2.I diot = n.I ra

(4.3)
ở đây Ira dòng điện ra (dòng điện trên tải) của chỉnh lu.
Công suất biên của biến thế:
PTP + 0,5. ( I1.U1 + 2.I diot .U 2 ) = 1, 2.I ra .U 2 1,34 Pr a

(4.4)
Tóm lại trong sơ đồ tải tích cực- cảm ứng biến thế đợc sử
dụng tốt hơn so với trong sơ đồ với tải tích cực- điện dung.
Điều náy chứng tỏ rằng tính tự cảm có sự phản kháng lớn đối với
thành phần biến đổi của dòng điện, tính tự cảm nối tiếp với
7


một phần xác định của chu kỳ trong mạch của mỗi pha và làm
giảm giá trị của thành phần xoay chiều.
Nhợc điểm của sơ đồ ở hình 4.4 là yêu cầu các cuộn dây
thứ cấp của biến thế phải đối xứng. Khi không có sự đối xứng
thì trong điện áp chỉnh lu sẽ xuất hiện thành phần xung
nhiễu có tần số của mạng chỉnh lu.
Trong các chỉnh lu mạnh công suất thì sơ đồ ba pha đợc
ứng dụng nhiều. Phơng án cầu của các sơ đồ này đợc gọi là sơ
đồ Larionov và đợc đặc trng bởi đập mạch của điện áp ra

nhỏ, thậm chí không cần sử dụng lọc san bằng.
Các bộ lọc san bằng đợc áp dụng để làm giảm thành phần
xoay chiều của điện áp chỉnh lu. Các lọc đợc đấu vào giữa
chỉnh lu và tải.
Các bộ lọc đợc sử dụng nhiều nhất là các lọc RC và LC với hai
thành phần đấu theo kiểu (hình 4.5,a,b). Thành phần nối
tiếp (L hoặc R) có sự phản kháng mạnh với dòng điện xoay
chiều, còn thành phần song song (C )- ít phản kháng các thành
phần xoay chiều. Nhợc điểm của điện trở trong các sơ đồ lọc
san bằng là có hao tổn công suất lớn ở dòng một chiều.

a)
b)
Hình 4-5. Lọc chủ động điện dung(a) và lọc cảm ứng - điện
dung(b)
Một trong những chỉ số của lọc là hệ số san bằng đập
mạch. Hệ số đợc tính bằng tỉ số của hệ số đập mach k đmv ở
đầu vào của bộ lọc chia cho hệ số đập mạch k đmr ở đầu ra
của lọc:
q=

kdmv
kdmr

(4.5)
ở đây kđmv=Uvxc/Uvmc, kđmr=Urxc/Urmc;
8


Uvxc,Uvmc- thành phần xoay chiều và một chiều của điện áp

vào bộ lọc;
Urxc,Urmc - thành phần xoay chiều và một chiều của điện áp
ra bộ lọc;
Tần số cộng hởng của lọc đợc xác định bởi quan hệ:
p =

1
LC

(4.6)
và phải nhỏ hơn rất nhiều so với tần số dao động đầu tiên
(hài bậc 1) của hài đập mạch. Từ đây suy ra rằng tần số của
các thành phần xoay chiều của điện áp vào lọc phải lớn hơn rất
nhiều tần số cộng hởng của nó.
Đối với tần số lọc-LC các thông số đợc chọn nh sau
C?

1
k .n .Rtai

(4.7)
ở đây k- số hài;
n - tần số cơ bản của hài đập mạch( tần số của hài đầu
tiên của xung);
Rtải-trở kháng của tải chỉnh lu;
Tính tự cảm của cuộn dây của lọc L đợc chọn từ hệ số san
bằng đập mạch yêu cầu ở hài đã cho qk
L

qk + 1

k 2 .n2 .C

(4.8)
Đối với lọc-RC các thông số đợc chọn sao cho đảm bảo đợc,
thứ nhất là phải có hao tổn công suất bé nhất, thứ hai là phải
có đợc giá trị hệ số san bằng đập mạch đề ra.
Vì vậy cần thiết phải đảm bảo
R = Rtai

và

C

qk
k .n .R

(4.9)
Thờng lọc-RC đợc áp dụng trong sơ đồ có điện trở lớn Rtải.
Lọc-LC đợc áp dụng khi dòng điện tải lớn và khi đó điện trở R tải
9


nhỏ.
4.1.1.2. Mô phỏng chỉnh lu 3 pha không điều khiển
Chúng ta xem xét ở vai trò của mô hình chỉnh lu 3 pha
không điều khiển theo sơ đồ Lrionop (sơ đồ 3 pha cầu). Giả
sử chỉnh lu đợc trang bị lọc-LC để san bằng sự đập mạch của
điện áp chỉnh lu. Sơ đồ nguyên lý điện của chỉnh lu đợc đa
ra ở hình 4.6.

Hình 4-6. Chỉnh lu 3 pha cầu không điều khiển
Trong sơ đồ bao gồm: biến thế 3 pha Tp1 với 6 cuộn dây
đấu theo sơ đồ sao-sao (*-*) và điện áp dây ra 380V, tần
số 50Hz; cầu điốt VD1-VD6; cuộn dây lọc Lf; tụ điện lọc Cf và
tải gồm 2 điện trở Rvar va Ro. Điện trở đầu tiên là điện trở
biến đổi, nó dùng để biến đổi dòng điện tải. Điện trở thứ hai
giới hạn dòng điện lớn nhất của tải để ngăn ngừa làm hỏng điốt
chỉnh lu.
Chúng ta tạo mô hình của thiết bị đã cho, mô hình cho
phép chúng ta:
-Xây dựng đặc tính ra của chỉnh lu, quan hệ Ud=f(Id);
-Đo đại lợng các hài bậc cao của điện áp ra để xác định
đại lợng xung ( có cũng nh không có lọc) khi một giá trị tron số
các giá trị của dòng điện ra;
-Xây dựng biểu đồ dao động của điện áp trên tải ( có lọc
cũng nh khi không có lọc);
-Xây dựng biểu đồ dao động của điện áp và dòng điện
của một trong các điôt của cầu.
Sơ đồ mô hình đợc đa ra ở hình 4.7.
10


Mô hình tạo ra từ nguồn điện áp 3 pha Three-Phase
Source, ngồm đấu vào đầu vào của biến thế với 6 cuộn dây.
Các cuộn dây của biến thế đợc đấu theo sơ đồ sao-sao.
Các điểm trung tính của nguồn và biến thế đấu chung vào
nhau.
Các cửa sổ thông số của nguồn và biến thế đợc chỉ ra ở
hình 4.8. Lọc đợc tạo ra từ các phần tử Series RLC Branch.
Trên sơ đồ chúng đợc ký hiệu bởi Lf và Cf. Các cửa sổ thông số

của chúng đa ra ở hình 4.9.

Hình 4-7. Mô hình chỉnh lu 3 pha không điều khiển
Khối Rvar trong vai trò của tải, khối này là một phân hệ
nhỏ tạo ra từ vài phần tử, sơ đồ của nó đợc chỉ ra ở hình 4.10.
Sự kết nối của khối trên đợc giải thích rằng trong gói
SimPowerSystems không có sẵn khối điều chỉnh điện trở
biến đổi từ các tín hiệu bên ngoài. Nhng nó có thể đợc tạo ra
trên cơ sở của khối Controlled Voltage Source (khối nguồn
điện áp điều khiển). Chắc chắn rằng sự có mặt của điện trở
11


trong mạch sẽ dẫn đến sự xuất hiện sự sụt áp trên nó là U, nó
giảm dòng điện qua I. Vì vậy để tạo ra mô hình biến trở cần
phải đấu vào mạch nguồn điện áp điều chỉnh mà đầu vào
của nó sẽ là thông tin tỉ lệ với dòng điện trong mạch nh ở hình
4.10.

a)
b)
Hình 4-8. Các cửa sổ thông số: nguồn điện áp (a), biến thế
(b)

a)
b)
Hình 4-9. Cửa sổ thông số: cuộn dây của lọc Lf (a), tụ điện
của lọc Cf(b)
Trong sơ đồ trên U=V.I, theo định luật Om U=R.I, ta có
V=R,

12


ở đây V-tín hiệu điều khiển đợc đa vào đầu vào V.
Tóm lại cho giá trị thông số V, có thể thay đổi điện trở của
biến trở đã cho Rvar.
Để ngăn ngữa phép toán chia cho 0 trong thời điểm đóng mạch
mô hình cần đa vào sơ đồ một điện trở phụ ( khối Series
RLC Branch).Giá trị của nó có thể nhỏ tùy ý, ví dụ, trong sơ
đồ R0=0,001 Om.

Hình 4-10. Cấu tạo của khối Rvar
Khi tính đến sự có mặt của điện trở đã cho mà giá trị
điện trở có thể coi nh giá trị nhỏ nhất của biến trở, giá trị cuối
cùng là
R=V+R0.
Giá trị R0 trong mô hình có thể giải thích nh điện trở của
con chạy tiếp xúc của biến trở, gía trị đó không đổi khi điều
chỉnh điện trở của biến trở.
Tín hiệu điều khiển giá trị điện trở của biến trở đợc đa
từ khối Rn (Om). Khối này là khối Slider Gain. Đây là khối
khếch đại bình thờng nhng đợc cung cấp bởi bộ điều chỉnh
khếch đại con chạy. Giá trị đơn vị đa vào đầu vào khối
Slider Gain (Rn(Om)) đợc khếch đại trong giới hạn thông số đã
cho ở cửa sổ thiết lập của khối. Ưu điểm của khối đã cho là khả
năng biến đổi động học trực tiếp hệ số khếch đại của nó
trong quá trình mô phỏng không cần dừng sự tính toán. Tính
đặc biệt này cho phép thực hiện tạo mô hình tơng tác cho
phép thay đổi giá trị điện trở của tải, bởi vì điều này diễn
ra trong điều kiện thực trên các giá thí nghiệm.

13


Chúng ta sẽ dùng chính khối Slider Gain này vào các mô
hình khác. Nhng đáng tiếc trong chơng trình MATLAB 4.11
thiếu khả năng khác thiết lập biến đổi thông số của hệ bằng
tay trong quá trình mô phỏng. Khả năng này đã có ở MATLAB
6.5 và có thể hy vọng rằng trong các phiên bản sau khả năng đó
sẽ quay lại.
Cửa sổ của khối Slider Gain đợc chỉ ra dới đây ở hình
71.

Hình 4-11. Cửa sổ thông số của khối Slider Gain
Giá trị Low là đại lợng nhỏ nhất của điệ trở Rvar ( trong trờng hợp này là 5 Om). Giá trị High là giá trị lớn nhất của điện
trở (trờng hợp này là 100Om).
Phần dới của sơ đồ là các khối đo lờng và chỉ thị. Nguồn
của tín hiệu đo đạc là khối Multimeter. Một phần cửa sổ
thông số của nó đợc dẫn ra ở hình 4.12.

Hình 4-12. Một phần cửa sổ thông số Multimeter
Ta thấy rằng ở đầu ra của khối véc tơ đợc tạo thành từ 2
đại lợng: dòng điện qua điện trở R0 của khối Rvar ( dòng điện
tải) va điện áp trên tụ điện Cf (điện áp trên tải).
Véc tơ này chia ra thành các thành phần riêng biệt bởi khối
Demux. Tín hiệu mang thông tin về dòng điện tải đi qua khối
14


RMS1 vào đồng hồ số Ampermeter. Khối RMS1 (giống nh khối
RMS) thực hiện phép toán chia giá trị hiệu dụng của đại lợng.

Bởi vì dòng điện tải mang một vài thành phần xoay chiều. Các
phép toán này cần thiết.
điện áp tải từ khối Multimeter: đợc chuyển qua khối RMS
vào đồng hồ số Voltmeter; đợc ghi vào không gian làm việc
(To Workspase) của chơng trình MATLAB bởi khối Simout; đợc
đa vào máy hiện sóng Scope Un.
Sự ghi vào không gian làm việc của chơng trình cần thiết
đối với sự phân tích tần số tiếp sau đó bởi bộ phân tích phổ.
Những điều chỉnh tính toán của mô hình, khoảng thời
gian mô phỏng va các thông số khác của mô hình cần thiết đợc
thiết lập sao cho sự tính toán đợc tối u trong sự tơng ứng với
những đề ra thỏa mãn trong công việc của chúng ta [12].
Làm việc của mô hình bắt đầu từ việc nhấn nút
trong thanh công cụ của chơng trình.
Khi thay đổi vị trí con chạy của khối Slider Gain là chúng
ta đặt giá trị điện trở tải. Điện trở đợc đọc từ giao diện của
khối hoặc trực tiếp từ của sổ thông số. Khi đó kim của Ampe
kế và vôn kế di chuyển biểu thị giá trị của dòng điện và
điện áp của tải.
Khi thay đổi giá trị của điện trở từ 5 đến 100Om thì
chúng ta đọc chỉ thị từ các thiết bị đo. Mối quan hệ thu đợc
giữa điện áp trên tải của chỉnh lu và dòng điện tải đợc gọi là
đặc tính ra của chỉnh lu, đợc chỉ ra ở hình 4.13.

15


Hình 4-13. Đặc tính ra của chỉnh lu

Hình 4-14. Mô hình chỉnh lu không có lọc

Để làm rõ vai trò của lọc san bằng trong chỉnh lu ta cần có
biểu đồ dao động của điện áp ra không có lọc của chỉnh lu
này. Để làm vậy ta thay sơ đồ mô hình nh ở hình 4.14.
Để ngắt các phần tử Lf và Cf thì trong cửa sổ điều chỉnh
của chúng từ menu sổ xuống Branch type, ta chọn Open
16


circuit (mạch mở). Phần tử cảm ứng khi đó hiển nhiên dẫn đến
ngắt mạch bởi thanh ngắt.
Biểu đồ dao động điện áp ra của chỉnh lu ở phơng án
này cho nh hình 4.15.

Hình 4-15. Biểu đồ dao động điện áp ra của chỉnh lu không
lọc
Rõ ràng, mặc dù là sơ đồ 6 đập mạch bộ chỉnh lu nhng
các đập mạch của điện áp ra vẫn có giá trị lớn.
Để đo đạc nghiêm ngặt đại lợng đập mạch cần đa ra
phân tích phổ hiệu điện áp ra. Để làm điều đó chúng ta sử
dụng khả năng tích hợp vào chơng trình và khởi động khối
Powergui. Một phần cửa sổ của nó thể hiện nh ở hình 4.16.
Trong cửa sổ này có nút bấm FFT Analize (phân tích
Furie).
Khi nhấn vào cửa sổ Powegui: FFT Tools (công cụ phân
tích Furie tần số).
Trong cửa sổ chỉ ra tên gọi của biến của không gian làm
việc. Biến này lu véc tơ điện áp ra. Trong trờng hợp của chúng
ta-Simout. ở đây trong cửa sổ Fundemental frequency (tần
số của hài cơ bản) nhập giá trị 300. Bởi vì khi chỉnhlu 2 nửa
chu kỳ của hệ điện áp 3 pha tần số của hài cơ bản sẽ bằng

300Hz.
Trong cửa sổ MAX. frenquency (tấn số lớn nhất) thiết lập
17


giá trị lớn hơn vài lần sao cho đủ để bao hết vài hài bậc cao
của điện áp ra. Trong trờng này chúng ta đa vào đây giá trị
2000.
Trong cửa sổ Frequency axis (Trục tần số biểu thị đơn
vị Hz).

Hình 4-16. Cửa sổ Powergui
Kết quả phân tích tần có thể đa ra ở dạng biểu đồ cột
hoặc ở rạng giá trị số.
Phơng án cuối cùng thuận tiện hơn, bởi vì trong cửa sổ
Display style (cách đa ra chỉ thị) chúng ta chỉ rõ List
(relative to Found, or DC) đợc chuyển qua giống một danh
sách các giá trị tơng đối với tần số cơ bản hoặc thành phần
một chiều. Nhấn vào nút Display dới cửa sổ ta thu đợc kết quả
đợc chỉ ra nh ở hình 4.17 ( để tiết kiệm vị trí, hình chỉ đợc
thể hiện một phần).
18


Chúng ta thấy rằng hài thứ hai xung điện áp ra không có
lọc chiếm khoảng 23,12% thành phần hài thứ nhất của điện áp
ra, hài thứ 3 chiếm 9,08%, hài thứ 4 chiếm 4,35%, hài thứ 5
chiếm 2,3% và hài thứ 6 chiếm 1,29%.
Để thu đợc kết quả này cần phải chỉ ra trong trờng
Number of cycles (số chu kỳ)-1. Trong trờng hợp này sẽ phân

tích đầ đủ một chu kỳ điện áp ra và kết quả tối thiểu là chỉ
ra ảnh hởng của các chế độ quá độ, nhiễu ngẫu nhiên đối với
điện áp đầu ra của bộ chỉnh lu.
Ta thực hiện phân tích các hài của chỉnh lu không có lọc
đối với mô hình ở hình 4.17. Biểu đồ dao động điện áp đầu
ra đối với chỉnh lu có lọc nh hình nh hình 4.18.

Hình 4-17. Một phần cửa sổ với kết quả phân tích tứng phân
điện áp ra của chỉnh lu không lọc
ở hình 4.18 các đập mạch của điện áp ra đợc biểu thị ở
dạng phóng to. Rõ ràng rằng biên độ của các xung không vợt
2,5V. Để phân tích cẩn thận chúng ta sử dụng công cụ FFT
Analysis của khối Powergui. Cửa sổ với kết quả thu đợc tơng
tự nh trên đợc chỉ ra ở hình 4.19.

19


Hình 4-18. Biểu đồ dao động điện áp ra của chỉnh lu
Dòng điện và điện áp ở một trong các điốt chỉnh lu có
dạng nh trong cửa sổ của máy hiện sóng Scope Ud+Id. Véc tơ
trạng thái đợc đa vào đầu vào của máy hiện sóng. Véc tơ trạng
thái gồm 2 đại lợng: điện áp ở điốt và dòng điện qua nó. Để
thu nhận đợc tín hiệu trên trong cửa sổ thông số của một trong
các điốt (VD1) thì đánh dấu vào trờng Show meansurement
port [Thể hiện cổng đo]. Nh đã chỉ ra ở trên bây giờ ở cổng
đo của khối đợc ký hiệu là m, véc tơ tín hiệu-Simulink đợc
định dạng từ 2 phần tử. Phần tử đầu là dòng điện dơng của
điốt, phần tử thứ 2 là điện áp anốt-katốt của điốt.

20


Hình 4-19. Một phần cửa sổ với kết quả phân tích tứng phần
điện áp ra của chỉnh lu có lọc
Biểu đồ dao động của tín hiệu thu đợc ở hình 4.20. ở
đây đờng đậm là dòng điện qua điốt, đờng mảnh là điện
áp trên điốt.

Hình 4-20. Biểu đồ dao động của dòng điện và điện áp trên
điốt VD1
4.1.2. Các bộ chỉnh lu có điều khiển
4.1.2.1. Khái quát chung, nguyên tắc làm việc cơ bản
bộ chỉnh lu có điều khiển
Các chỉnh lu có điều khiển hoặc có điều chỉnh là các
thiết bị biến đổi tích hợp chức năng chỉnh lu điện áp biến
đổi với sự điều chỉnh ( hoặc làm ổn định) điện áp trên tải.
Sơ đồ đơn giản nhất của chỉnh lu có điều khiển đợc tạo rừ
các sơ đồ chỉnh lu không điều khiển tơng ứng khi thay hoàn
toàn hoặc một phần các điốt chỉnh lu bán dẫn bằng các
thyristor. Trên hình 4.21 đa ra các sơ đồ chỉnh lu điều chỉnh
1 pha đợc ứng dụng nhiều nhất,
Trên hình 4.22 đa ra các biểu đồ thời gian của dòng điện
và điện áp minh họa cho các qua trình điện từ trong các sơ
đồ chỉnh lu điều chỉnh đơn giản nhất (hình 4.21,a,c). Giả
sử chọn bất kỳ thời điểm ban đầu ở đầu cuộn sơ cấp của
biến thế Tp, ký hiệu một cách ớc lệ bằng một điểm trên hình
21

4.21,a, đợc đặt điện thế dơng, còn ở đầu cuối của nó là
điện thế âm ( chiều của điện áp trong cuộn dây Tp đối với
thời điểm đầu đợc chỉ ra trên hình 4.21,a). Mặc dù có mặt
điện thế dơng trên anốt của thyristor VT1 nhng nó không cho
dòng điện đi qua. Bởi vì tín hiệu đặt vào cực điều khiển
của nó chậm sau một khoảng thời gian t1 = CL / kể từ khi cực
tính điện áp nguồn nuôi đợc thay đổi.

a)

b)

c)
Hình 4-21. Sơ đồ chỉnh lu điều chỉnh một pha
Khi thyristor VT1 mở (thời điểm .t1 = CL ) thì dòng điện tải
sẽ bắt đầu đi qua nó. Trong khoảng tiếp theo các phần tử của
lọc san bằng là cuộn dây với điện cảm L và tụ điện C dự trữ
năng lợng điện từ, từ mạng cung cấp. Sau khi đổi chiều điện
áp cung cấp () thyristor VT1 đóng. Trong khoảng thời gian tiếp
theo tải bị ngắt khỏi mạng, nhng dòng điện của cuộn dây lọc
vẫn đi qua điốt phụ trợ VD.
22


Tại thời điểm tín hiệu mở đợc đặt vào cực điều khiển
của thyristor VT2 và nó bắt đầu dẫn dòng điện tải. Khi đó
điốt VD đợc đóng bởi điện áp trên cuộn thứ cấp của biến thế
Tp. Thyristor VT2 dẫn dòng theo sự thay đổi tuần tự cực tính
của điện áp nuôi. Sau đó các quá trình trong sơ đồ của chỉnh
lu điều chỉnh (hình 4.21,a) đợc lặp lại.

Dễ thấy rằng theo thời gian khi thay đổi thời điểm mở
thyristor VT1 và VT2 tơng đối so với thời điểm chuyển qua giá
trị 0 của điện áp cung cấp, có thể thực hiện việc điều chỉnh
giá trị trung bình (giá trị hiệu dụng) của điện áp trên tải theo
quy luật đã cho. Sự ổn định của điện áp ra với độ chính xác
nhất định đợc giữ không thay đổi trong mọi trờng hợp và chế
độ của chỉnh lu là một trờng hợp riêng của sự điều chỉnh này.
Các quá trình điện từ có vị trí trên hình 4.21,c, hoàn
toàn đợc đồng nhất nh đã xem ở trên, ngoại trừ một điều khi
mở thyristor VT1 thì điốt VD4 đợc mở còn khi đang mở VT2
thì điốt VD3 đợc mở.
Chỉnh lu có điều khiển đợc làm theo sơ đồ hình 4.21,b
trong sự khác biệt với các sơ đồ đã xét ở trên không chứa điốt
phụ trợ VD. Vai trò của nó đợc các điốt VD2 và VD4 đảm nhiệm.
Thông qua các điốt này năng lợng tích trong cuộn dây của lọc L
đi đến tải khi các thyristor VT1 và VT3 đóng. Các biểu đồ thời
gian minh họa các quá trình điện từ trong chỉnh lu này đợc
chỉ ra ở hình 4.23.
Hoàn toàn rõ ràng rằng đặc trng của các quá trình trong
chỉnh lu điều chỉnh là không thay đổi, nếu nh cực tính
điện áp để mở tất cá các thyristors, các điốt và các tụ lọc thay
đổi ngợc nhau so với điện áp cuộn thứ cấp của biến áp.
Đối với tất cả các chỉnh lu một pha (xem hình 4.21) đặc
tính điều chỉnh (một cách khác là đặc tính vào-ra) thể
hiện mối quan hệ của giá trị trung bình điện áp chỉnh lu theo
góc mở của thyristor khi có dạng:
U CLtb =

2.U 2
( 1 + cos CL )

23


(4.10)
ở đây - giá trị trung bình của điện áp ở đầu ra của lọc;
U2-giá trị hiệu dụng của điện áp ở đầu ra của chỉnh lu;
-góc mở của các thyristor.

Hình 4-22. Biểu đồ thời
Hình 4-23. Biểu đồ thời gian
gian của dòng điện và điện của dòng điện đối với chỉnh láp trong sơ đồ đơn giản
u hình 4.21,b
nhất của chỉnh lu điều
chỉnh một pha (xem hình 24
4.21,a,c)


Sơ đồ của chỉnh lu điều chỉnh 3 pha hiệu quả nhất có
tính kinh tế cao và có các thông số kích thớc khối lợng của lọc
san bằng không lớn, nh hình 4.24.

a)

b)
Hình 4-24. Sơ đồ chỉnh lu điều chỉnh 3 pha hiệu quả
Sơ đồ cầu ở hình 4.24,a chứa 3 thyristor đấu chung katốt
và 3 điốt đấu chung anốt. Chỉnh lu cầu 3 pha ở hình 4.24,b
hoàn toàn đợc thực hiện trên thyristor.
Trong sơ đồ của chỉnh lu 3 pha điốt VD giống nh trong trờng hợp chỉnh lu một pha dùng để đảm bảo mạch điện sao

cho năng lợng tích trong cuộn dây của lọc đi đến tải khi các
thyristor của chỉnh lu ngắt.
Biểu đồ thời gian của dòng điện và điện áp trong mạch
chỉnh lu điều chỉnh 3 pha (hình 4.24,a) đợc đa ra ở hình
4.25. Những biểu đồ này hợp lý đối với các góc mở nhỏ của
thyristor một cách tơng đối (đến ).
Dạng điện áp chỉnh lu của loại chỉnh lu này khi giá trị góc
25