Lthuyet datn chuan VAN ANH

LỜI CẢM ƠN
Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn tới Thầy Nguyễn Đình Hùng đã trực tiếp
hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian nghiện cứu và hoàn thành đồ án.
Em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới các thầy cô, cán bộ thuộc Khoa điện – điện tử
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên đã trang bị kiến thức và tạo điều kiện
thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và nghiện cứu.
Cảm ơn gia đình, bạn bè đã quan tâm, động viên giúp đỡ em về tinh thần và vật chất
trong quá trình học tập và thực hiện đề tài.
Hưng Yên, ngày 28 tháng 5 năm 2017
Tác giả
Lê Thị Vân Anh

Page 1


LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................. 1
GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................................................... 4
1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................................ 4
2. Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiện cứu của đồ án ......................................................... 4
3. Tóm tắt nội dung đồ án ....................................................................................................... 4
4. Phương pháp nghiện cứu .................................................................................................... 4
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI ......................................................................... 5
1.1. Giới thiệu chung về bộ biến đổi phụ thuộc...................................................................... 5
1.2. Mạch chỉnh lưu 1 pha không và có điều khiển. ............................................................... 5
1.2.1. Mạch chỉnh lưu hình tia 1 pha nửa chu kỳ không điều khiển................................... 5
1.2.2. Mạch chỉnh lưu hình cầu 1 pha không điều khiển .................................................... 7
1.2.3. Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển .................................... 9
1.2.4. Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha có điều khiển .................................................... 11
1.3. Mạch chỉnh lưu bán điều khiển. .................................................................................... 12
1.3.1. Mạch chỉnh lưu hình cầu 1 pha bán điều khiển catot chung .................................. 12
1.3.2. Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha bán điều khiển mắc đối .................................... 14

1.4. Biến đổi điện áp xoay chiều .......................................................................................... 16
1.4.1. Giới thiệu chung bộ biến đổi điện áp xoay chiều ................................................... 16
1.4.2. Một số sơ đồ và phương pháp biến đổi điện áp xoay chiều ................................... 16
1.4.3. Mạch điều áp xoay chiều một pha .......................................................................... 18
1.5. Một số phương pháp điều chỉnh bộ biến đổi phụ thuộc ................................................ 24
1.5.1 .Các yêu cầu của mạch điều khiển ........................................................................... 24
1.5.2. Các nguyên tắc điều khiển ...................................................................................... 24
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ ĐUN THÍ NGHIỆM ............................................ 27
BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ THUỘC .................................................................................................. 27
2.1. Phân tích ý tưởng thiết kế .............................................................................................. 27
2.2. Thiết kế mặt giao diện mô đun điều khiển và mô đun công suất .................................. 28
2.3. Thiết kế, tính chọn mạch công suất ............................................................................... 30
2.4. Thiết kế, tính chọn mạch điều khiển.............................................................................. 35
2.4.1. Sơ đồ nguyên lý ...................................................................................................... 35
2.4.2. Khối phát xung chủ đạo TCA 785 .......................................................................... 36
2.4.3. Khối phát xung chùm ............................................................................................. 40
2.4.4. Khối chộn xung ...................................................................................................... 43
2.4.5. Khối mạch khuếch đại ............................................................................................ 45
2.4.6. Sơ đồ mạch nguồn điều khiển ................................................................................ 48
2.4.7. Vẽ sơ đồ board mạch điện ...................................................................................... 50
2.4.8. Sản phẩm hoàn thiện............................................................................................... 51
Page 2


CHƯƠNG III: KHẢO SÁT, KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM ..... Error! Bookmark not
defined.
3.1. Khảo sát các bộ biến đổi AC – DC................................ Error! Bookmark not defined.
3.1.1. Khảo sát mạch chỉnh lưu hình tia 1 pha nửa chu kỳ không điều khiển ...........Error!
Bookmark not defined.
3.1.2. Khảo sát mạch chỉnh lưu hình tia 1 pha 2 nửa chu kỳ không điều khiển ........Error!

Bookmark not defined.
3.1.3. Khảo sát mạch chỉnh lưu hình cầu 1 pha không điều khiển .. Error! Bookmark not
defined.
3.1.4. Khảo sát mạch chỉnh lưu hình tia 1 pha nửa chu kỳ điều khiển hoàn toàn .....Error!
Bookmark not defined.
3.1.5. Khảo sát mạch chỉnh lưu hình tia 1 pha 2 nửa chu kỳ điều khiển hoàn toàn ..Error!
Bookmark not defined.
3.1.6. Khảo sát mạch chỉnh lưu hình cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn .. Error! Bookmark
not defined.
3.1.7. Khảo sát mạch chỉnh lưu hình cầu 1 pha bán điều khiển mắc A chung ..........Error!
Bookmark not defined.
3.1.8. Khảo sát mạch chỉnh lưu hình cầu 1 pha bán điều khiển mắc K chung ..........Error!
Bookmark not defined.
3.2. Khảo sát các bộ biến đổi AC-AC .................................. Error! Bookmark not defined.
3.2.1. Khảo sát mạch điều áp xoay chiều 1 pha dùng Thyristor ...... Error! Bookmark not
defined.
3.2.2. Khảo sát mạch điều áp xoay chiều 1 pha dùng Triac ............ Error! Bookmark not
defined.
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN...................................................................................................... 59
4.1. Kết quả đạt được ............................................................................................................ 59
4.2. Hạn chế .......................................................................................................................... 59
4.3. Hướng phát triển của đề tài ........................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 60

Page 3


GIỚI THIỆU CHUNG
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay điện tử công suất là một lĩnh vực rất quan trọng trong các hệ thống

điện, điện tử. Do vậy môn học điện tử công suất cũng được các trường đại học cao
đẳng và dạy nghề ngày càng được chú trọng. Trong đó một vấn đề mà chúng ta cũng
cần quan tâm đó là các thiết bị dùng để đào tạo thực hành hay thí nghiệm hiện nay
được sử dụng trong các trường còn hạn chế nhiều về số lượng cũng như chất lượng.
Đặc biệt vấn đề về giá thành các thiết bị thực tập và thí nghiệm điện tử công suất hiện
nay là rất cao do tính đặc thù về công suất và công nghệ. Để góp phần cải thiện các
vấn đề trên nhóm đồ án đã nhận đề tài thiết kế, chế tạo mô đun thí nghiệm điện tử
công suất. Với mục đích chế tạo ra một thiết bị đáp ứng được một phần nào đó trong
lĩnh vực thực hành thí nghiệm môn điện tử công suất.
2. Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiện cứu của đồ án
Trên cơ sở định hướng của giáo viên hướng dẫn nhóm chúng em tập chung
nghiện cứu chế tạo mô đun công suất bộ biến đổi AC-DC 1 pha và ba pha và bộ biến
đổi AC-AC 1 pha theo mẫu thiết bị hiện có của hãng Lucasnule. Đồng thời chế tạo mô
đun điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc 1 pha và ba pha.
3. Tóm tắt nội dung đồ án
Nội dung đồ án gồm bốn chương:
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ ĐUN THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ
THUỘC
CHƯƠNG III: KHẢO SÁT, KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN
4. Phương pháp nghiện cứu
Để hoàn thành nội dung đồ án nhóm nghiện cứu đã áp dụng các phương pháp
sau
- Khảo sát, đánh giá thiết bị hiện có
- Tìm và phân tích tài liệu
- Sử dụng phương pháp thực nghiệm
- Trao đổi kinh nghiệm và kiến thức với các thầy cô và các chuyên gia ĐTCS.
Page 4

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI
1.1. Giới thiệu chung về bộ biến đổi phụ thuộc
Chức năng của hệ thống điều khiển bộ biến đổi là biến đổi tín hiệu điều khiển
thành xung điều khiển tương ứng cho việc điều khiển mở các phần tử bán dẫn công
suất.
Bộ biến đổi phụ thuộc bao gồm các mạch chỉnh lưu và các mạch điều áp xoay
chiều. Ở đề tài này em được giao nghiện cứu về các mạch chỉnh lưu 1 pha và mạch
điều áp xoay chiều 1 pha. Với mạch điều áp xoay chiều 1 pha thì có hai loại mạch là
sử dụng thyristor và triac.
1.2. Mạch chỉnh lưu 1 pha không và có điều khiển.
1.2.1. Mạch chỉnh lưu hình tia 1 pha nửa chu kỳ không điều khiển.
a. Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ mạch chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ gồm hai loại: trực tiếp và cách ly được
mô tả như hình vẽ
D

D

id

u2

ud

R

u(t)

u2

a

id

ud

R

b

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ không điều khiển tải R
b. Nguyên lý làm việc
- Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, điện áp phía sau thứ cấp là
u 2  2.U2.sint(v) , và khi Diode dẫn điện thì điện áp sụt trên nó bằng không.

- Trong 1 2 chu kỳ đầu 0  t   , khi đó u2  0, van D được phân cực thuận,
nên van D dẫn điện.Ta có: uD = 0, u 2  u d , i D  i d 

u2
R

-Trong 1 2 chu kỳ sau   t  2 khi đó u2  0, van D bị phân cực ngược, nên
van D không dẫn điện. Ta có: uD = u2  0, utải = 0, i D  i d  0
- Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự .
Page 5


c. Giản đồ dòng điện, điện áp
u2

2

3

t

2

3

t

0

2

3

t

0

2

3

t

0

ud
0

id
uD

Hình 1.2: Dạng sóng dòng điện, điện áp mạch chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ
không điều khiển tải R
d. Một số Các biểu thức trong mạch
- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu được xác định theo biểu thức:
1
Ud 
2





2.U 2

2U 2 sin tdt 



0

 0,45U 2

- Giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu được xác định theo biểu thức:


u
U
1
2.U 2
Id  d 
2U 2 sin tdt  d 

R 2 .R 0
R
 .R

- Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA khi đó sẽ là:
I2 

1
2

2

 2U 2 sin t 
 dt 
0 

R





U2
2R




2

Id

- Dòng điện hiệu dụng qua sơ cấp máy biến áp
Do tải thuần trở nên U2 có cùng dạng sóng i2, khai triển chuỗi Fourier của i2 gồm một
thành phần một chiều và một thành phần sóng hài AC.
i2 = Id + i~
Nếu bỏ qua sức từ động và sóng hài bậc cao ta có thể viết
Page 6


n1i.1 = n2.(i2 - id)
Nếu gọi m 

U 1 n1
: là tỷ số máy biến áp ta có:

U 2 n2

i1 = m(i2 - id)
I1 

1

2

2

2
 i1 d  m.
0


2

1 
2
(
i

I
)
d


I d2 d   1,21.m.I d
 2
d

2  0
0


- Dòng điện trung bình qua diode D:



I DAV 

U
1
2.U 2
2U 2 sin tdt  d 
 Id

2 .R 0
R
 .R

- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên 2 đầu diode D khi khóa:
U Dm  2U 2

1.2.2. Mạch chỉnh lưu hình cầu 1 pha không điều khiển
a. Sơ đồ nguyên lý
id
i1
u1

i2

D1

u2

u

u2

-u2

u2

D2

Rd

ud

0



2

3

t



2

3

t



2

3

t

ud
D3

D4

0

uD1; uD4
0

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu

iD2; iD3

hình cầu một pha không điều khiển tải R
0



2

3

t

Hình 1.4: Dạng sóng dòng điện, điện áp
mạch chỉnh lưu hình cầu một pha không
điều khiển tải R

Page 7


b. Nguyên lý làm việc
Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, điện áp phía thứ cấp
u2 = 2 U2sin  t(v), coi như khi diode dẫn điện, điện áp sụt trên nó là không Volt .
- Trong nửa chu kỳ đầu  t = 0 đến , điện áp u2 dương, khi đó cặp van D1 và
D4 được phân cực thuận, nên dẫn điện. Còn cặp van D2 và D3 bị phân cực ngược nên
không dẫn điện. Khi đó ta có:
uD1 = uD4 = 0; uD2 = uD3 = - u2  0; ud = u2  0; iD1 = iD4= id; iD2 = iD3 = 0.
- Trong nửa chu kỳ sau  t =  đến 2, điện áp - u2 dương, khi đó cặp van D1 và
D4 bị phân cực ngược, nên không dẫn điện. Còn cặp van D2 và D3 phân cực thuận nên
dẫn điện. Khi đó ta có:
uD2 = uD3 = 0; uD1= uD4 = u2  0; ud = - u2  0; iD2 = iD3 = id ; iD1 = iD4 = 0.
-

Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự .

c. Một số Các biểu thức trong mạch
-Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu được xác định theo biểu thức:
Ud 

1





2U 2 sin tdt 

2. 2.U 2

0



 0,9U 2

-Giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu được xác định theo biểu thức:
Id 


ud
U
2. 2.U 2
1

2U 2 sin tdt  d 

R 2 .R 0
R
 .R

-Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA khi đó xẽ là:
2


1  2U 2 sin t 

 dt  1,1.I d
I2 

 0 
R


- Dòng điện hiệu dụng qua sơ cấp máy biến áp
I1 

I2
m

(m 

U1
: là tỷ số máy biến áp)
U2

-Dòng điện trung bình qua diode D:
ID 

Id

2

-Điện áp ngược lớn nhất đặt lên 2 đầu diode D khi khóa:
U Dm  2U 2
Page 8


1.2.3. Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển
a. Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ mạch điều khiển

T

u

u2

R
u1

u2

0

D0
L

a

2

3

t

2

3

t

uG
0

u t¶i

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh
lưu hình tia một pha có điều khiển
tải R+L

0

2

3

t

0

2

3

t

2

3

t

uT

iT
0

Hình 1.6: Dạng sóng dòng điện, điện áp
mạch chỉnh lưu hình tia một pha có
điều khiển tải R+L

b. Nguyên lý làm việc:
- Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, cuộn cảm tải Ld =  , điện áp phía thứ
cấp u2 =

2 U2 sin  t.

- Trong khoảng  t = 0 đến , có u2 > 0, và uT > 0, tuy nhiện T vẫn chưa dẫn, do chưa
có xung điều khiển mở. Khi đó ta có:
uT1 = u2; uD0 = 0; utải = 0; iD0 = iT = itải= 0.
- Đến thời điểm  t = , phát xung điều khiển mở van T, lúc này T có đủ hai điều

kiện kích mở nên dẫn điện. Ta có:
Page 9


uT = 0; uD0 = -u2; utải= u2> 0; iD0 = 0; iT = itải.
- Đến thời điểm  t = , u2 = 0 và có xu hướng âm. Lúc này van T bị phân cực ngược
nên khoá và, - u2 = 0 và có xu hướng dương dần, kết hợp sđđ e do cuộn cảm tạo ra làm
van D0 dẫn điện. Như vậy trong khoảng  t =  đến 2, ta có:
uT = u2 < 0; utải = 0; itải= iD0; iT = 0.
- Đến thời điểm  t= 2, u2 = 0 và có xu hướng dương dần, van T được đặt điện áp
thuận tuy nhiện van T vẫn chưa dẫn , do chưa có xung điều khiển kích mở, còn D0 vẫn
dẫn do sđđ e ở cuộn cảm tải tạo ra. Như vậy trong khoảng  t= 2 đến 2 +  , ta có:
uT = u2 > 0; utải = uD0; itải = iD 0; iT = 0.
- Đến thời điểm  t = 2 +  , phát xung điều khiển mở van T, lúc này T dẫn
điện, còn D0 khoá. Ta có:
uT = 0; utải = u2> 0; uD0= -u2; iT = itải; iD0= 0.
-

Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự.

c. Một số biểu thức tính toán
-

Điện áp trung bình trên tải


1
Ud 
2




2U 2 sin tdt 

2.U 2
(1  cos  )
2

- Dòng điện trung bình qua Thyristor


IT 

1
 
I d dt 
.I d

2 
2

- Dòng điện trung bình qua Diode D0:
I D0 

1
2

2 

 I

d

dt 

 
.I d
2

- Điện áp thuận lớn nhất trên van T:
UTng max  2.U 2

Điện áp ngược lớn nhất trên van T và D0:
U Tth max U D0th max  2.U 2

Page 10


1.2.4. Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha có điều khiển
a. Sơ đồ nguyên lý
id
i1

i2

T1

T2

u

u2

0

Rd

u2

ud

T3

T4

Ld

u2

2

3

t

uG
G1,4

u1

- u2

G2,3

G1,4

0
ud

2

3

t

0

2

3

t

2

3

t

2

3

t

iT2,3

0
iT1,4

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh
lưu hình cầu một pha có điều khiển tải

0

Hình 1.8: Dạng sóng dòng điện, điện áp

R+L

mạch chỉnh lưu hình cầu một pha có
điều khiển tải R+L

b. Nguyên lý làm việc
Giả sử Ld =  , điện áp phía thứ cấp u2 =

2 U2 sin  t, góc điều khiển  .

Xét mạch đang làm việc ở chế độ xác lập. Khi van dẫn sụt áp trên nó bằng không.
Trước thời điểm  t =  , cặp van T2 và T3 dẫn điện, khi đó ta có:

uT2 = uT3 = 0; utải = - u2 ; uT1 = uT4 = u2; iT2 = iT3 = itải; iT1 = iT4 = 0.
Đến thời điểm  t =  , phát xung điều khiển mở cặp van T1 và T4, lúc này
cặp van T1 và T4 sẽ dẫn điện, còn cặp van T2 và T3 bị phân cực ngược nên
không dẫn điện. Khi đó ta có:
uT1 = uT4 = 0; utải = u2; uT2 = uT3 = - u2; iT1= iT4= itải; iT2 = iT3 = 0.
- Đến thời điểm  t = , u2 = 0 và có xu hướng âm dần, còn - u2 = 0 và có xu
hướng dương dần, tuy nhiện điện áp nguồn lúc này tác động ngược chiều với chiều
dẫn dòng của dòng điện qua tải , cho nên sđđ tự cảm do cuộn cảmL d tạo ra làm cho

Page 11


cặp van T1 và T4 tiếp tục dẫn điện, còn cặp van T2 và T3 chưa dẫn do chưa có xung
điều khiển kích mở. Lúc này ta có:
uT1= uT4= 0; utải = u2 < 0; uT2 = uT3 = - u2 > 0; iT1 = iT4= itải; iT2 = iT3= 0.

Đến

thời điểm  t =+  , phát xung điều khiển mở cặp van T2 vàT3. Lúc này cặp van T2 và
T3 sẽ dẫn điện, còn cặp van T1 và T4 bị phân cực ngược nên không dẫn điện. Ta có:
uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4 = u2 < 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1= iT4= 0.
- Đến thời điểm  t = 2, u2= 0 và có xu hướng dương dần, còn - u2= 0 và có xu
hướng âm dần, tuy nhiện cặp van T2 và T3 sẽ tiếp tục dẫn điện, do sđđ của cuộn cảm
tải tạo ra để chống lại sự biến thiện của dòng điện, còn cặp van T1 và T4 chưa dẫn
điện, do chưa có xung điều khiển tác động kích mở. Ta có:
uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4= u2 > 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1= iT4= 0.
-

Các chu kỳ sau nguyên lý hoạy động tương tự.

c. Các biểu thức trong mạch
- Điện áp trung bình trên tải:
Utải = 2.

1
2

 



2 U2 sin  t d  t = 0,9 U2 cos  :



- Dòng điện trung bình qua Thyristor :
 

IT =




Itải d  t = Itải/ 2.

- Điện áp thuận, điện áp ngược cực đại trên Thyristor :
uT(thuận) = uT(ngược) = 2 U2.
1.3. Mạch chỉnh lưu bán điều khiển.
1.3.1. Mạch chỉnh lưu hình cầu 1 pha bán điều khiển catot chung
b. Nguyên lý làm việc:

a. Sơ đồ nguyên lý
- Trên sơ đồ nguyên lý ta thấy nhóm

id

i1

mắc catot chung là các thyritstor được
mở vào thời điểm t =  khi được kích
xung điều khiển. Nhóm anot chung là

u1

i2

T1

T2

Rd
ud

u2

Ld
D1

D2

các van diode chúng mở theo quy luật tự

nhiện, phụ thuộc vào điện áp nguồn: D1 Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh
Page 12


mở khi u2 bắt đầu âm; D2 mở khi u2 bắt lưu hình hình cầu một pha bán điều
đầu dương

khiển tải R+L

. Do vậy quá trình làm việc của các van c. Dạng sóng dòng điện, điện áp trong
trong một chu kỳ điện lưới là:

mạch:

+ Trong khoảng:    thì van T1 và D2
dẫn.

u

0

+ Trong khoảng:      thì van T1 và
D1 dẫn.

u2



- u2



và D1 dẫn.

2 

3 

 t

iG

0

+ Trong khoảng:     2 thì van T2

u2



2 

3 

 t



2 

3 

 t



2 

3 

 t



2 

3 

 t



2 

3 

 t



2 

3 

 t

Ud

iT1

+ Trong khoảng: 2 2   thì van T2
và D2 dẫn.

0
iT2

0

Quá trình các chu kỳ sau được lặp lại
tương tự.

iD1

0
iD2

-

Qua đây ta thấy khi mạch làm việc có
0

hai đoạn có hiện tượng dẫn thẳng hàng
của hai van: T1 và D1; van T2 và D2. Do

uT1

0



2 

3 

 t

đó khoảng thời gian này điện áp trên tải
bị ngắn mạch ud = 0 (v). Các đoạn khác

Hình 1.10: Dạng sóng dòng điện, điện
áp mạch chỉnh lưu hình hình cầu một
pha bán điều khiển tải R+L

ud bám theo điện áp nguồn. Như vậy dòng điện qua tải id vẫn liên tục còn dòng điện
qua máy biến áp nguồn thì gián đoạn. Điều này có lợi về mặt năng lượng vì năng
lương không cần lấy từ nguồn mà vẫn duy trì được trong tải.
d. Các biểu thức tính toán:
- Điện áp trung bình trên tải
Ud 

-

1



 

2U 2 sin t dt 

2.U 2



(cos   1)

Dòng trung bình qua một van bán dẫn

Page 13


IT  I D 

Id
2

- Điện áp ngược và điện áp thuận lớn nhất rơi trên van thyritstor
UTth max UTng max  2.U 2

1.3.2. Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha bán điều khiển mắc đối

a. Sơ đồ nguyên lý
id

i1
u1

i2

T1

D1

Rd
ud

u2

Ld
T2

D2

Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu hình hình cầu một pha bán điều khiển
mắc đối tải R+L
b. Nguyên lý làm việc:
Trong sơ đồ các diode được mở tự nhiện ở các nửa chu kỳ: D1 mở khi u2 âm, D2 mở
khi u2 dương. Các thyritstor được mở theo góc kích xung  . Còn các van được
khóa theo nhóm khi D1 dẫn thì T1 khóa khi T1 dẫn thì D1 khóa, khi D2 dẫn thì T2
khóa và ngược lạiNhư vậy trong một chu kỳ điện áp lưới các van được dẫn trong
các khoảng sau:

 t   van T1 và D2 dẫn

 t     van D1 và D2 dẫn
  t  2 van D1 và T2 dẫn
2 t  2  van T1 và T2 dẫn

Các chu kỳ sau quá trình lặp lại tương tự.

Page 14


c. Dạng sóng dòng điện, điện áp trong mạch:
u2

u

0

- u2

u2

2

a

3

t

iG

0

2

3

2

3

2

3

t

2

3

t

2

3

t

2

3

t

t

Ud
t

iT1

0
iT2

0
iD1

0
iD2

0
uT1

0

2

3

t

Hình 1.12: Dạng sóng dòng điện, điện áp mạch chỉnh lưu hình hình cầu một pha bán
điều khiển mắc đối tải R+L
d. Các biểu thức tính toán:
- Điện áp trung bình trên tải
Ud 

-

1



 

2U 2 sin t dt 

2.U 2



(cos   1)

Dòng trung bình qua một van thyritstor dẫn


1

 
IT 
I d d 
.I d

2 
2

- Dòng trung bình qua một van diode dẫn

Page 15


1
ID 
2

 

I
0

d

d 

 
.I d
2

- Điện áp ngược và điện áp thuận lớn nhất rơi trên van thyritstor
UTth max UTng max  2.U 2

1.4. Biến đổi điện áp xoay chiều
1.4.1. Giới thiệu chung bộ biến đổi điện áp xoay chiều
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều được sử dụng để thay đổi giá trị hiệu dụng của điện áp
xoay chiều đầu ra. Nó được mắc vào nguồn điện áp xoay chiều dạng sin với tần số và
trị hiệu dụng không đổi và tạo ở đầu ra điện áp xoay chiều có cùng tần số nhưng trị
hiệu dụng có thể thay đổi được. Do đó bộ biến đổi điện áp xoay chiều có tính năng gần
giống như máy biến áp điều khiển vô cấp. Nhưng điện áp đáp ứng ở đầu ra thay đổi
nhanh và liên tục, tuy nhiện chất lượng điện áp và dòng điện bị ảnh hưởng bởi góc
kích mở và tính chất tải.
Trong thực tế các bộ biến đổi điện áp xoay chiều thường được sử dụng để điều khiển
công suất tiêu thụ của các phụ tải như: lò nướng điện trở, bếp điện, điều khiển chiếu
sáng cho sân khấu, quảng cáo, điều khiển vận tốc động cơ không đồng bộ công suất
vừa và nhỏ (máy quạt gió, máy bơm, máy xay) điều khiển động cơ vạn năng (dụng cụ
điện cầm tay, máy trộn, máy sấy)…. Bộ biến đổi xoay chiều còn được dùng trong hệ
thống bù vô cấp công suất phản kháng cho hệ thống điện và được sử dụng làm bộ khởi
động mềm cho động cơ ba pha.
1.4.2. Một số sơ đồ và phương pháp biến đổi điện áp xoay chiều
Các bộ xung áp xoay chiều (XAAC) được dùng để điều chỉnh giá trị điện áp xoay chiều với
hiệu suất cao. XAAC thường sử dụng các loại van công suất như: các Thyristor mắc song
song ngược, Triac, hay cầu diode và Thyristor để thay đổi giá trị điện áp trong mỗi nửa chu
kỳ của điện áp lưới theo góc mở , từ đó thay đổi được giá trị điện áp hiệu dụng trên tải.
Các bộ XAAC dùng để điều chỉnh điện áp xoay chiều theo phương pháp thay đổi góc mở
thường được sử dụng theo các các sơ đồ sau:

Page 16

c>
a>

b>

Hình 1.13: Các sơ đồ thường sử dụng trong mạch điện xoay chiều bằng phương pháp
điều chỉnh góc mở
-Trong sơ đồ hình 1.13-(a) chúng ta có trể thay thyristor bằng một tranzitor, tuy nhiện tổn
hao công suất trong sơ đồ này rất cao nên chỉ được sử dụng với tải có công suất nhỏ. Còn sơ
đồ hình 1.13-(b) sử dụng triac thường được sử dụng cho các tải có công suất từ vài trục W
đến vài KWvới yêu cầu chất lượng không cao. Để đáp ứng công suất lớn và chất lượng điện
áp tốt hơn ta thường dùng sơ đồ sử dụng 2 thyritstor mắc song song ngược như
hình 1.13-(c).
Ngoài các phương pháp biến đổi góc pha như trên người ta còn sử dụng phương pháp biến
đổi tỷ lệ thời gian (Time duty ratio control). Nguyên lý của phương pháp này được thực
hiện bằng cách dùng công tắc xoay chiều (satic relay) dóng cắt đồng bộ với thời điểm điện
áp lưới qua điểm Zero. Khi đó điện áp hiệu dụng trên tải được xác định:
Ut  U

Tt
T

Trong đó Tt là khoảng thời gian đóng công tắc xoay chiều (Tt  T);
Tt = mTs
T: là chu kỳ đóng cắt công suất cho tải ( T = nTs)
TS: là chu kỳ điện áp lưới

Page 17

Hình 1.14: Dạng sóng dòng điện, điện áp trong mạch điều áp xoay chiều
Diều khiển bằng phương pháp tỷ lệ thời gian

1.4.3. Mạch điều áp xoay chiều một pha
a. Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý làm việc:
Sơ đồ nguyên lý mạch điều chỉnh dòng điện xoay chiều một pha được sử dụng với nhiều sơ
đồ khác nhau như phần trên đã giới thiệu, tuy nhiện để hiểu rõ tính chất và nguyên lý của sơ
đồ ta đi nghiện cứu mạch điều áp xoay chiều một pha dùng 2 thyritstor mắc song song
ngược như hình 1.15-a. Mạch gồm 2 thyristor nối song song ngược với nhau (tương đương
với 1 triac) nối tiếp với tải. Các sơ đồ khác dùng triac hay cầu diode ta chỉ việc thay các van
vào vị trí 2 thyritstor.
T1

T1

i1

T2

i2

U~

ic

T2
Uc

Zt

*

*

Hình 1.15-a: Sơ đồ nguyên lý mạch điều áp
xoay chiều một pha dùng thyritstor

Hình 1.15-b: Sơ đồ mạch khuếh đại dùng

Page 18


biến áp xung
Vì 2 thyristor nối song song ngược nên mạch khuếch đại của các thyristor thường dùng biến
áp xung có hai cuộn thứ cấp để cách ly với nhau như hình 1.15-b, cũng có thể cách ly dùng
phần tử quang.
*Nguyên lý làm việc của mạch được giải thích như sau:
Giả sử điện áp nguồn xoay chiều có biểu thức như sau:
u  2U sin t

Ở nửa chu kỳ dương của điện áp, T1 được phân cực thuận, T2 bị phân cực ngược, tại thời
điểm bất kỳ (t = ) trong khoảng thời gian 0 < t <  ta kích một xung điều khiển vào cực
G1 của T1 khi đó T1 dẫn có điện áp đặt lên tải và dòng qua tải.
Ở nửa chu kỳ âm của điện áp, T2 được phân cực thuận, T1 bị phân cực ngược. cũng tại
thời điểm bất kỳ (t =  + ) trong khoảng thời gian  < t < 2 ta kích một xung
điều khiển vào cực G2 của T2 khi đó T2 dẫn có điện áp đặt lên tải và dòng qua tải.
Như vậy bằng cách điều chỉnh góc mở  của các thyristor, ta có thể điều chỉnh được
dòng điện qua tải cũng như công suất tiêu thụ trên tải. Trong mạch điều hỉnh dòng điện
xoay chiều 1 pha góc mở  được tính từ các thời điểm có điện áp bằng không (t =
k).

b. Dòng điện - điện áp trên tải:
Trong mạch điều áp xoay chiều dòng điện tải phụ thuộc vào tính chất của tải, để cụ thể ta sẽ
xét từng trường hợp như sau:

Page 19


Uc

*Tải thuần trở:
Khi van T1 dẫn, có dòng đi qua van T1 và

-

0 



2
t

qua tải, dòng điện, điện áp tải được xác định
theo biểu thức:

UT1

uc  2U sin t
ic 

u

2U sin t

R
R

0

(Khi < t <  và  + < t < 2)



2
t

ic

- Theo nguyên lý làm việc ta xây dựng được dạng
sóng dòng điện, điện áp trong mạch như hình 1.16.

0



2
t

Từ dạng sóng ta nhận thấy dòng điện trên tải là
không sin, có dạng tương tự như sóng điện áp trên
tải.

Hình 1.16: Dạng sóng dòng điện, điện
áp mạch XAXC 1 pha với tải R

- Phân tích dòng điện tải thành sóng cơ bản và sóng
bậc cao. Trong đó sóng cơ bản của dòng điện tải
chậm pha sau sóng điện áp một góc . Vì vậy có
thể kết luận ngay cả khi tải thuần trở mạch vẫn tiêu
thụ một phần công suất phản kháng từ lưới. Nếu
như bỏ qua thành phần sóng hài bậc cao thì dạng
sóng dòng điện điện áp trên tải được mô tả như
Từ biểu thức điện áp và dòng điện ta xác định được các giá trị dòng điện, điện áp và công
suất trong mạch như sau:
-Điện áp hiệu dụng trên tải
Uc 

1



(
 

2U sin t ) 2 dt  U

2  2  sin 2
2

-Dòng điện hiệu dụng qua tải
Ic 

Uc U

R
R

2  2  sin 2
2

-Công suất tác dụng cấp cho mạch tải:
Page 20


Pc  U c  I c 

U 2  2  2  sin 2 
.

R 
2


-Như vậy ta thấy bằng cách thay đổi góc mở  từ 0 đến , người ta có thể điều chỉnh
được công suất tác dụng trên tải từ giá trị cực đại là Pmax 

U2
đến Pmin  0
R

*Tải thuần cảm L:
Uc

- Trường hợp tải thuần cảm, khi t = 
ta kích một xung điều khiển để mở T1. Dòng
điện tải ic tăng dần, và đạt giá trị cực đại, sau

0

2


t

đó giảm dần tới không khi t = . Do tải có
tính chất thuần cảm nên giả thiết cuộn cảm có
giá trị rất lớn có thể duy trì khoảng dẫn các van

UT1

là π trong một chu kỳ, khi đó dạng sóng dòng
điện và điện áp được mô tả như hình 1.17
- Khi T1 mở phương trình điện áp mô tả trạng
thái của mạch có dạng:
di
L  2U sin t
dt

2U
cos t  I 0
L

t

ic
ic

2

0

i2

t



-Tích phân hai vế ta có:
ic  

2

0

Hình 1.17: Dạng sóng điện áp và dòng

-Hằng số tích phân I0 được xác định theo sơ điện mạch XAXC 1 pha với tải thuần
kiện ic = 0, t = . Sau khi xác định hằng số cảm.
tích phân I0 ta có dòng điện tải:
ic  

2U

(cos   cos t )
L

-Góc tắt dòng  được xác định bằng cách thay t = , và đặt ic = 0 ta được
 = 2 - 
-Góc mở  được tính từ các thời điểm có điện áp Uc = 0, tức là tại các thời điểm
Page 21


t = k.
- Đến thời điềm t =  +  kích xung điều khiển kích mở T2. Để đảm bảo cho sơ đồ
được hoạt động tốt, thì  <  + , do vậy với tải điện cảm góc mở  phải nằm trong
giới hạn /2 <  < . Vì dòng tải là không sin, ta có thể phân tích thành sóng cơ bản,
và các sóng hài bậc cao. Nếu chỉ xét sóng cơ bản, thì nó chậm sau điện áp trên tải một
góc là /2 và không phụ thuộc vào góc mở .
-Giá trị hiệu dụng của dòng điện được xác định theo biểu thức:

1

 

2U
Ic 
ic dt 

 
L

Ic 

2

1



 

 (cos   cos t )


2

dt

U 2(   )(2  cos 2 )  3sin 2
L


Khi tải là thuần cảm, công suất tiêu thụ là công suất phản kháng:

*Tải hỗn hợp R + L:

Page 22


Uc

Với tải R+L nguyên lý làm việc gần
giống tải thuần cảm, nhưng góc tắt

dòng phụ thuộc vào độ lớn của điện

0

2


t

cảm tải.
- Theo nguyên lý làm việc klhi t =
, ta kích cho thyristor T1 dẫn dòng,

UT1

khi đó có dòng điện qua tải nên ta có
được phương trình điện áp như sau:
L

2

0

t

dic
 Ric  2U sin t
dt

-Giải phương trình trên có nghiệm :

ic 

2U
sin(t   ) Ae
Z



t
tg

( PT 1)

ic
ic
i2



Trong đó:
Z  R 2  X L2 ;

2

0

tg 

XL
R

Hằng số tích phân A được xác định

t

Hình 1.18: Dạng sóng điện áp và
dòng điện mạch XAXC 1 pha với tải

bởi sơ kiện ic = 0, khi t =  thay R + L.
vào (PT1) ta tìm được:


2U
sin(   )  e tg
A
Z

Thay A vào (PT1) ta được biểu thức dòng điện tải có dạng:
t 


2U 
tg
ic 
sin(t   )  sin(   )e
 (PT2)
Z 


-Biểu thức trên đúng trong khoảng  < t < . Góc tắt dòng  được xác định bằng

cách thay điều kiện t = , và cho ic = 0 vào (PT2). Như vậy biểu thức ic được viết:
2U
ic 
Z

 



tg
sin(    )  sin(   )e




Page 23


- Để đảm bảo thyristor T1 phải được khóa lại trước khi cho xung điều khiển T2 mở. thì
góc  <  + . Ta nhận thấy nếu  <  thì dòng điện tải gián đoạn còn    thì dòng
điện tải liên tục, khi đó không thay đổi được dòng điện và điện áp tải. Như vậy để đảm
bảo điều chỉnh được dòng điện và điện áp tải thì góc kích mở thyritstor nằm trong
khoảng    .
1.5. Một số phương pháp điều chỉnh bộ biến đổi phụ thuộc
1.5.1 .Các yêu cầu của mạch điều khiển
- Mạch điều khiển phải làm việc tin cậy.
- Cấp xung điều khiển đúng thời điểm.
- Độ rộng và độ lớn của xung điều khiển tối thiểu phải bằng độ rộng và độ lớn của
xung cho trong data sheet của linh kiện.
- Phải thỏa mãn tính đối xứng giữa các pha.

1.5.2. Các nguyên tắc điều khiển
Các nguyên tắc điều khiển thường được sử dụng hiện nay bao gồm
- Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha thẳng đứng
tuyến tính.
- Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha thẳng đứng
“ARCCOS”.
- Hệ thống điều khiển chỉnh lưu dùng diode 2 cực gốc (Trasistor một tiếp
giáp).
Nhưng thực tế hiện nay người ta hay dùng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến
tính và thẳng đứng ARCCOS. Sau đây ta nghiện cứu 2 loại
a. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
- Theo nguyên tắc này được thể hiện hình vẽ sau:

u
us

0

α

uC
π

α

2π

t

Hình 1.19: Dạng tín hịệu điện áp nguyên tắc điều khiển tuyến tính

Page 24


Trong đó

Us: là điện áp răng cưa đồng bộ với điện áp UAK của thyristor và thường

được đặt vào cổng đảo khâu so sánh
Uc: là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được và thường được đặt vào
cổng không đảo khâu so sánh
Hai tín hiệu Us và Uc được đưa vào khâu so sánh, nên mỗi khi Us = Uc thì đầu ra so
sánh lật trạng thái khi đó tạo ra được một xung điều khiển. Như vậy bằng cách thay
đổi Uc ta điều chỉnh được thời điểm phát xung hay chính là thay đổi được góc kích
xung α. Giữa α và Uc có mối quan hệ sau:
  .

UC
U sm

Thường lấy Ucm = Usm
Từ biểu thức ta thấy khi thay đổi Uc từ Usm đến 0V thì góc α thay đổi từ α =  đến α
=0
b. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”
- Theo nguyên tắc này được thể hiện hình vẽ sau:
u
us

0

α

π

uC
2π

t

Hình 1.20: Dạng tín hịệu điện áp nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”
Trong đó

Us: là điện áp đồng bộ vượt trước điện áp UAK của thyristor một góc /2

và thường được đặt vào cổng đảo khâu so sánh
Uc: là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được và thường được đặt vào
cổng không đảo khâu so sánh.
Hai tín hiệu Us và Uc được đưa vào khâu so sánh, nên mỗi khi Us = Uc thì đầu ra so
sánh lật trạng thái khi đó tạo ra được một xung điều khiển. Như vậy bằng cách thay
đổi Uc ta điều chỉnh được thời điểm phát xung hay chính là thay đổi được góc kích
xung α. Giữa α và Uc có mối quan hệ sau:

Page 25