mạch tích hợp nghịch lưu một pha ba pha

Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

LỜI CẢM ƠN
Qua một thời gian nghiên cứu và thực hiện cùng sự giúp đỡ và chỉ bảo của
thầy (cô) đến nay đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập
mạch điều áp một chiều” do giảng viên – Đỗ Công Thắng hướng dẫn đã được
hoàn thiện. Trong suốt thời gian nghiên cứu và thi công đề tài, em đã gặp không ít
vướng mắc nhất định và đã nhận được nhiều sự giúp đỡ nhiệt thành và quý báu của
thầy (cô).
Trước tiên, cho phép em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới giảng viên – Đỗ Công
Thắng đã tin tưởng giao đồ án, chỉ đạo và hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình
thực hiện đề tài. Em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo
trong khoa Điện - Điện Tử đã động viên, góp ý, tạo điều kiện thuận lợi nhất giúp
cho em được hoàn thành đề tài đúng tiến độ được giao.
Do năng lực và thời gian còn hạn chế nên việc tìm thêm nhiều tài liệu làm
giàu cho đồ án còn thiếu sót. Em rất mong nhận được nhiều hơn nữa ý kiến đóng
góp của các thầy cô giáo, sự chia sẻ tài liệu của các bạn sinh viên để em có thể hoàn
thiện hơn kiến thức của mình.
Em xin chân thành cảm ơn !
Sinh viên thực hiện
Đặng Như Ý

1


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

LỜI NÓI ĐẦU
Chúng em xin cam đoan nội dung được trình bày trong đồ án tốt nghiệp là
kết quả nghiên cứu của bản thân cùng các thành viên trong nhóm. Nội dung của đồ
án chúng em có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin đã được đăng tải trên

các tác tạp chí, Website theo danh mục tài liệu tham khảo của đồ án ở phần cuối.
Hưng Yên, Ngày.....tháng.....năm 2020

2


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................1
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................... 2
MỤC LỤC................................................................................................................. 3
MỤC LỤC HÌNH ẢNH............................................................................................5
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 7
CHƯƠNG 1............................................................................................................... 8
CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI..............................................................................8
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐỘC LẬP..................................................8
1.2 PHÂN TÍCH MỘT SỐ MẠCH XUNG ÁP MỘT CHIỀU..............................................8

1.2.1 Khái quát về điều áp một chiều.........................................................8
1.2.1 Mạch xung áp đơn nối tiếp..............................................................10
1.2.2 Mạch xung áp song song.................................................................12
1.2.3 Mạch xung áp đảo dòng (loại B)....................................................13
1.2.4 Mạch xung đảo chiều ( loại B kép )...............................................14
1.3 PHÂN TÍCH MỘT SỐ MẠCH NGHỊCH LƯU......................................................17

1.3.1 Phân tích mạch nghịch lưu một pha nguồn dòng...........................17
1.3.2 Phân tích mạch nghịch lưu một pha nguồn áp................................19
1.3.3 Phân tích một số mạch nghịch lưu ba pha nguồn dòng.................22
1.3.4 Phân tích mạch nghịch lưu ba pha nguồn áp.................................25

1.4 YÊU CẦU VÀ CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐỘC LẬP................28

Các yêu cầu của mạch điều khiển............................................................28
CHƯƠNG 2............................................................................................................. 29
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ ĐUN THÍ NGHIỆM CÁC MẠCH BỘ
BIẾN ĐỔI ĐỘC LẬP.............................................................................................29
2.1 PHÂN TÍCH Ý TƯỞNG THIẾT KẾ......................................................................29
2.2 TÍNH CHỌN VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ..................................................................30
2.3 THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC.......................................................................31

2.3.1 Sơ đồ khối tổng quan......................................................................31
2.3.2 Thiết kế mạch điều khiển................................................................33
2.3.3 Thiết kế mạch cách ly và khuếch đại..............................................36
2.3.4 Thiết kế mạch lái xung IR2101.......................................................40
2.3.5 Mạch động lực................................................................................42
2.4 THIẾT KẾ MẶT GIAO DIỆN..............................................................................44

2.4.1 Thiết kế giao diện mô đun điều khiển.............................................44
2.4.2 Thiết kế giao diện mô đun công suất..............................................45
2.4.3 Thiết kế giao diện mô đun PLC FX3U-24MR................................46
2.4.4 Thiết kế chế tạo modul tải ba pha..................................................47
2.5 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ VÀ LẬP TRÌNH.......................................................................48

2.5.1 Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển.....................................................48
2.5.2 Thiết kế sơ đồ mạch công suất.......................................................49
2.5.3 Thiết kế sơ đồ bo mạch...................................................................50
3


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

2.5.4 Thiết kế lưu đồ thuật toán...............................................................51
2.5.5 Chương trình điều khiển.................................................................52
2.6 CHẾ TẠO VÀ LẮP RÁP CÁC MÔ ĐUN................................................................52

2.6.1 Quy trình thực hiện.........................................................................52
2.6.2 Sản phẩm hoàn thiện.......................................................................52
CHƯƠNG 3............................................................................................................. 53
LẮP RÁP THỬ NGHIỆM VÀ KHẢO SÁT SẢN PHẨM......................................53
3.1 KHẢO SÁT MẠCH XUNG ÁP ĐẢO DÒNG VỚI TẢI ĐIỆN TRỞ..............................53

3.1.1 Sơ đồ mạch điện..............................................................................53
3.1.2 Kết quả khảo sát..............................................................................53
3.2 KHẢO SÁT MẠCH XUNG ÁP ĐẢO DÒNG VỚI TẢI ĐỘNG CƠ ĐIỆN DC................54

3.2.1 Sơ đồ mạch điện..............................................................................54
3.2.2 Kết quả khảo sát..............................................................................54
3.3 KHẢO SÁT MẠCH NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP MỘT PHA DÙNG 4 IGBT VỚI TẢI
ĐIỆN TRỞ..............................................................................................................55

3.3.1 Sơ đồ nguyên lý..............................................................................55
3.3.2 Kết quả thí nghiệm..........................................................................56
3.4 KHẢO SÁT MẠCH NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP BA PHA VỚI TẢI THUẦN TRỞ.........56

3.4.1 Sơ đồ nguyên lý..............................................................................56
3.4.2 Kết quả thí nghiệm..........................................................................57
CHƯƠNG 4............................................................................................................. 58
KẾT LUẬN.............................................................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................59
Phụ lục..................................................................................................................... 60

4


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Chương 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI
Hình 1. 1 Sơ đồ cấu trúc chung mạch bộ biến đổi điện áp DC..................................9
Hình 1. 2 Sơ đồ nguyên lý mạch xung áp đơn nối tiếp dùng thyristor.....................10
Hình 1. 3 Dạng sóng dòng điện điện áp với tải R+L+E trong mạch xung áp đơn.. .10
Hình 1. 4 Sơ đồ nguyên lý mạch xung áp đơn nối tiếp dùng IGBT(a) dạng sóng điện
áp(b)........................................................................................................................ 11
Hình 1. 5 Sơ đồ mạch xung áp song song................................................................12
Hình 1. 6 Sơ đồ nguyên lý của bộ xung áp đảo dòng..............................................13
Hình 1. 7 Họ đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều, khi làm việc với bộ
xung áp đảo dòng....................................................................................................13
Hình 1. 8 Bộ biến đổi đảo chiều..............................................................................15
Hình 1. 9 Biểu đồ xung trong bộ biến đổi đảo chiều (Ud>0 quay thuận)................15
Hình 1. 10 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng một pha sơ đồ cầu H.. . .17
Hình 1. 11 Dạng sóng dòng điện, điện áp trong mạch nghịch lưu nguồn dòng một
pha dùng sơ đồ cầu H..............................................................................................18
Hình 1. 12 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp 1 pha................................19
Hình 1. 13 Dạng sóng dòng điện và điện áp mạch nghịch lưu nguồn áp với tải R+L.
................................................................................................................................. 20
Hình 1. 14 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng 3 pha dải điều chỉnh hẹp.
................................................................................................................................. 22
Hình 1. 15 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng 3 pha dải điều chỉnh hẹp.
................................................................................................................................. 24
Hình 1. 16 Dạng sóng dòng điện qua các pha mạch nghịch lưu nguồn dòng 3 pha

dải điều chỉnh hẹp....................................................................................................24
Hình 1. 17 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp 3 pha................................25
Hình 1. 18 Dạng sóng điện áp mạch nghịch lưu nguồn áp 3 pha............................27
Hình 1. 19 Dạng xung điều khiển 120 độ và dạng xung điều khiển 180 độ.............28
Chương 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ ĐUN THÍ NGHIỆM CÁC
MẠCH BỘ BIẾN ĐỔI ĐỘC LẬP
Hình 2. 1 Sơ đồ tổng quan mạch hệ thống...............................................................31
Hình 2. 2 Sơ đồ chân vi điều khiển DSPIC30F4011................................................33
Hình 2. 3 Sơ đồ khuếch đại và cách ly có đảo.........................................................36
Hình 2. 4 Hình ảnh IC.............................................................................................37
Hình 2. 5 Sơ đồ chân IC cách ly HCPL0611...........................................................38
Hình 2. 6 Bảng bit logic vào ,ra của IC HCPL0611.................................................38
Hình 2. 7 Cấu tạo chân IC 7414..............................................................................39
Hình 2. 8 Dạng xung khi dùng IC 7414...................................................................39
Hình 2. 9 Dạng xung khi không dùng IC 7414........................................................39
Hình 2. 10 Sơ đồ chân IC 2101...............................................................................40
Hình 2. 11 Cấu tạo bên trong IC IR2101.................................................................40
Hình 2. 12 Chức năng các chân IC IR2101.............................................................40
Hình 2. 13 Giản đồ xung vào ,ra IC IR2101............................................................41
Hình 2. 14 Định nghĩa dạng song theo thời gian đóng cắt.......................................41
5


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

Hình 2. 15 Sơ đồ nguyên lý mạch lái xung PWM...................................................41
Hình 2. 16 Sơ đồ mạch động lực sử dụng 6 van công suất......................................42
Hình 2. 17 Giao diện mô đun điều khiển.................................................................44
Hình 2. 18 Giao diện mô đun công suất...................................................................45
Hình 2. 19 Giao diện mô đun PLC FX3U-24MR....................................................46

Hình 2. 20 Giao diện modul tải chiếu sáng..............................................................47
Hình 2. 21 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển..........................................................48
Hình 2. 22 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất............................................................49
Hình 2. 23 Sơ đồ Board mạch công suất.................................................................50
Hình 2. 24 Sơ đồ Board mạch điều khiển................................................................50
Hình 2. 25 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển............................................51
Chương 3 LẮP RÁP THỬ NGHIỆM VÀ KHẢO SÁT SẢN PHẨM
Hình 3. 1 Sơ đồ mạch xung áp đảo dòng với tải điện trở.........................................53
Hình 3. 2 Sơ đồ mạch xung áp đảo dòng với tải động cơ điện DC..........................54
Hình 3. 3 Sơ đồ mạch nghịch lưu nguồn áp sử dụng 4 van IGBT với tải điện trở.. .55
Hình 3. 4 Sơ đồ mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha với tải thuần trở.......................56
Phụ lục
Hình 4. 1 Datasheet FGA25N120ANTD................................................................60
Hình 4. 2 Mô đun điều khiển bộ biến đổi DC-AC/DC-AC......................................65
Hình 4. 3 Mô đun van công suất bộ biến đổi DC-AC/DC-DC.................................66
Hình 4. 4 Mô đun tải chiếu sáng..............................................................................67
Hình 4. 5 Mô đun PLC FX3U-24MR......................................................................68
Hình 4. 6 Dạng sóng điện áp nguồn cấp với U=15VDC..........................................69
Hình 4. 7 Dạng sóng điện áp trên tải điện trở với PWM = 5%................................69
Hình 4. 8 Dạng sóng điện áp trên tải điện trở với PWM=30%................................69
Hình 4. 9 Dạng sóng điện áp tải điện trở với PWM=50%.......................................70
Hình 4. 10 Dạng sóng điện áp trên tải điện trở với PWM=70%..............................70
Hình 4. 11 Dạng sóng điện áp trên tải điện trở với PWM=94%..............................70
Hình 4. 12 Dạng sóng điện áp nguồn với U=15DCV...............................................71
Hình 4. 13 Dạng sóng điện áp trên tải động cơ với PWM=5%................................71
Hình 4. 14 Dạng sóng điện áp trên tải động cơ với PWM=50%..............................71
Hình 4. 15 Dạng sóng điện áp trên tải động cơ với PWM=94%..............................72
Hình 4. 16 Dạng sóng điện áp nguồn U=15 DCV...................................................72
Hình 4. 17 Dạng sóng điều khiển van V1 và V2......................................................72
Hình 4. 18 Dạng sóng điều khiển van V2 và V5......................................................73

Hình 4. 19 Dạng sóng điện áp trên tải với U=15 DCV............................................73
Hình 4. 20 Dạng sóng điều khiển trên van V1 và V3..............................................73
Hình 4. 21 Dạng sóng điều khiển trên van V1 và V5..............................................74
Hình 4. 22 Dạng sóng điều khiển van V1 và V4......................................................74
Hình 4. 23 Dạng sóng điều khiển van V3 và V2.....................................................74
Hình 4. 24 Dạng sóng điều khiển trên van V5 và V6..............................................75
Hình 4. 25 Dạng sóng điện áp trên tải pha A với U=15 DCV..................................75
Hình 4. 26 Dạng sóng điện áp trên tải pha A,pha B với U=15 DCV.......................75

6


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

MỞ ĐẦU
I ) 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.
II) 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 nghịch lưu ba pha.
III) Tóm tắt nội dung đồ án

Nội dung đồ án gồm bốn chương:
CHƯƠNG 1: Cơ sở lý luận của đề tài
CHƯƠNG 2: Thiết kế, tính toán sản phẩm
CHƯƠNG 3: Lắp ráp thử nghiệm và khảo sát sản phẩm
CHƯƠNG 4: Kết luận
IV) Phương pháp nghiện cứu
Để hoàn thành nội dung 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 điện tử
công suất

7


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

Chương 1

CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI
1.1 Giới thiệu chung về bộ biến đổi độc lập
Trong các bộ biến đổi công suất gồm có 4 bộ biến đổi cơ bản AC-DC; ACAC; DC-DC; DC-AC. Trong đó 2 bộ biến đổi AC –DC; AC-AC các van công suất
hoạt động phải phụ thuộc vào tần số, dạng tín hiệu và góc pha của nguồn điện đầu
vào bộ công suất nên bộ biến đổi loại này gọi là bộ biến đổi phụ thuộc. Còn bộ biến
đổi DC-DC; DC – AC các van hoạt động không phụ thuộc vào nguồn điện cấp vào
bộ công suất nên bộ biến đổi loại này gọi là bộ biến đổi độc lập.

1.2 Phân tích một số mạch xung áp một chiều
1.2.1 Khái quát về điều áp một chiều
1) Khái quát chung
Bộ biến đổi điện áp một chiều hay còn gọi là bộ băm xung điện áp một
chiều, được sử dụng để biến đổi nguồn điện áp một chiều không đổi thành nguồn
điện áp một chiều thay đổi được để cấp điện cho phụ tải một chiều.
Trong truyền động điện một chiều như giao thông đường sắt, ôtô điện, cầu
trục, cũng như việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều với các mục đích
khác nhau, người ta thường sử dụng phương pháp điều chỉnh dòng điện và điện
áp trung bình bằng phương pháp đóng cắt tự động. Tùy thuộc vào thời gian đóng
Tđ và thời gian cắt T c trong một chu kỳ T, mà ta có dòng điện và điện áp trung
bình ra trên tải là khác nhau.
2) Phân loại và sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi điện áp DC
Có nhiều cách phân loại bộ biến đổi điện áp một chiều, tuỳ thuộc vào đặc
điểm mắc các van công suất cũng có thể phân loại theo điện áp ra tăng hay giảm so
với điện áp đầu vào và cũng có thể phân loại theo chiều điện áp, dòng điện trong
mạch… Trên cơ sở đó ta có thể phân loại các bộ biến bổi điện áp một chiều như
sau:
8


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

+

Mạch xung áp nối tiếp

+

Mạch xung áp song song

+

Mạch xung áp tăng áp

+

Mạch xung áp giảm áp

+

Mạch xung áp đảo dòng

+

Mạch xung áp kép ( có đảo chiều)

Tuy có nhiều cách phân loại như vậy nhưng mạch xung áp một
chiều có một cấu trúc chung như hình vẽ:

Hình 1. 1 Sơ đồ cấu trúc chung mạch bộ biến đổi điện áp DC.

- Khối nguồn DC thường lấy từ bình Acquy hay bộ chỉnh lưu
- Mạch lọc đầu vào thường dùng mạch lọc LC để san phẳng điện áp đàu vào.
- Van công suất được dùng có thể là Tranzitor, thyritstor, GTO, Mosfet,
IGBT…vv Việc chọn van tuỳ thuộc vào công suất và yêu cầu công nghệ cụ
thể.
- Mạch lọc đầu ra thường dùng cuộn cảm L để san phẳng dòng điện tải.
- Phụ tải thường là động cơ điện một chiều.
- Khối đo lường có nhiệm vụ đo kiểm tra các thông số dòng điện, điện áp tải
- Khối điều khiển (ĐK) có nhiệm vụ điều khiển hay điểu chỉnh van
công suất để dáp ứng yêu cầu dòng hay áp đầu ra tải.
9


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

1.2.1 Mạch xung áp đơn nối tiếp
1) Mạch xung áp đơn nối tiếp sử dụng thyristor
a) Sơ đồ nguyên lý
Mạch gồm có hai thyristor
T1 và T2. Trong đó T1 là
phần tử đóng cắt chính,
còn T2 là thyristor phụ
dùng để tắt T1. DC; LC
và tụ điện C là các phần tử
chuyển mạch, Dr là diode
hoàn năng lượng trong
trường hợp tải có điện

Hình 1. 2 Sơ đồ nguyên lý mạch xung áp đơn nối
tiếp dùng thyristor.

cảm.

Hình 1. 3 Dạng sóng dòng điện điện áp với tải R+L+E trong mạch xung áp đơn.

10


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

b) Nguyên lý làm việc mạch xung áp đơn nối tiếp dùng thyristor
Để thuận lợi cho quá trình phân tích ta giả thiết mạch đang làm việc ở chế
độ xác lập và dòng điện tải đảm bảo liên tục.
Ban đầu T1 ở trạng thái cắt. Khi đó điện áp ra trên tải bằng không, tụ điện C
được nạp qua T2 theo chiều phân cực như hình vẽ 1.1.
Khi cho một xung điều khiển vào cực G của T 1, lúc này T1 mở, điện áp được
đặt lên tải. Dòng điện đi từ dương nguồn qua T 1, qua tải tới âm nguồn. Khi T1 mở tụ
điện C được phóng điện qua T1; LC; DC, và được nạp ngược lại nhờ sức điện động tự
cảm trong cuộn dây LC. Điện áp trên tải khi đó uC = U0.
Sau khoảng thời gian Tđ = .T ta kích một xung điều khiển mở T 2. Khi T2
mở tụ C sẽ đặt điện áp ngược lên T 1 thông qua T2 làm cho T1 bị khóa lại. Điện áp
trên tải khi đó bằng không, tụ C được nạp điện như thời điểm ban đầu.
Sau khoảng thời gian Tc ta lại tiếp tục kích xung cho T 1 mở, và quá trình cứ
tiếp tục như vậy cho các chu kỳ sau. Như vậy điện áp trung bình trên tải khi đó
được xác định theo biểu thức:
U .T
U C  0 đ  .U 0
T

Còn dòng điện qua mạch khi đó phụ thuộc vào tính chất của tải.

2) Mạch xung áp đơn nối tiếp sử dụng van IGBT

Hình 1. 4 Sơ đồ nguyên lý mạch xung áp đơn nối tiếp dùng IGBT(a) dạng sóng điện áp(b).

11


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

-

Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động

+

Mạch xung áp đơn nối tiếp dùng van IGBT gồm nguồn điện áp một

chiều không đổi U mắc nối tiếp với tải qua công tắc S. Tải một chiều tổng quát
gồm RL và sức điện động E (ví dụ động cơ một chiều).Diode không Vo mắc
song song với tải.
+

Nguồn một chiều có thể lấy từ acquy, pin điện, hoặc từ nguồn xoay

chiều qua bộ chỉnh lưu không điều khiển và mạch lọc. Công tắc S có chức
năng điều khiển đóng và ngắt được dòng điện đi qua nó. Do tính năng trên nên
công tắc S phải là linh kiện tự chuyển mạch.
1.2.2 Mạch xung áp song song
1) Sơ đồ nguyên lý
Bộ xung áp song song thường được sử dụng cho tải là động cơ điện một

chiều khi làm việc ở chế độ hãm tái sinh. Khi làm việc ở chế độ hãm tái sinh, động
cơ làm việc giống như một máy phát điện một chiều, hoàn trả năng lượng tích lũy
được khi nó làm việc ở chế độ động cơ về lưới điện.

Hình 1. 5 Sơ đồ mạch xung áp song song.

+Sơ đồ gồm: Thiết bị đóng cắt là thyristor T 1, tải là động cơ một chiều
(R+L+E), diode D dùng để chống dòng ngắn mạch khi T1 dẫn.
2) Nguyên lý làm việc
L nối tiếp với tải, khoá S mắc song song với tải. Cuộn cảm L không tham gia
vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này.
12


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

+ S đóng, dòng điện từ +U qua L

S

-U. Khi đó D tắt vì trên tụ có U C (đã

được tích điện trước đó).
+ S ngắt, dòng điện chạy +U qua L

D tải. Vì từ thông trong L không giảm

tức thời về không do đó trong L xuất hiện suất điện động tự cảm có cùng cực tính
với U. Do đó có tổng điện áp Ud = U + eL.Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp.
Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên tục

và năng lượng truyền ra tải dưới dạng xung nhọn.
1.2.3 Mạch xung áp đảo dòng (loại B)
1) Sơ đồ nguyên lý
Bộ xung áp đảo dòng gồm hai bộ xung áp nối tiếp và xung áp song song
ghép lại với nhau, nó cho phép truyền năng lượng theo 2 chiều thuận, ngược.
Nguồn cung cấp cho bộ xung áp đảo dòng là nguồn một chiều U 0. Tải là một
máy điện một chiều làm việc ở chế ở 2 độ, chế độ máy phát và chế độ động cơ. Sơ
đồ nguyên lý của bộ xung áp đảo dòng được trình bày như hình vẽ 1.5.

2 = 0

M

0 ,2 5
0 ,5
0 ,7 5
1

Id

i

0
1 = 1
0 ,7 5
0 ,5
0 ,2 5
0

Hình 1. 6 Sơ đồ nguyên lý của bộ

xung áp đảo dòng

Hình 1. 7 Họ đường đặc tính cơ của động cơ
điện một chiều, khi làm việc với bộ xung áp đảo
dòng.

13


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

2) Nguyên lý làm việc
-Gọi 1, 2 là tỷ số đóng trong một chu kỳ tương ứng với các van T 1, và T2,
khi đó nguyên lý làm việc của mạch như sau:
-Khi tải làm việc ở chế độ động cơ điều khiển cho T 1 dẫn còn T2 khóa trong
khoảng thời gian 1T của chu kỳ đóng cắt.
+Khi đó phương trình điện áp của mạch có dạng:
E U d  RI d 1U 0  RI d (Với Id>0)

+Điện áp trung bình trên tải được xác định theo biểu thức:
U d 1U 0

-Khi tải làm việc ở chế độ máy phát điều khiển cho T 2 dẫn còn T1 khóa trong
khoảng thời gian 2T của chu kỳ đóng cắt.
+Khi đó phương trình điện áp của mạch có dạng:
E U d  RI d  2U 0  RI d (Với Id<0)

+Các tỷ số đóng cắt của 1, 2 của T1 và T2, phải thỏa mãn
1 + 2 = 1
-Như vậy với bộ xung áp đảo dòng, bằng cách thay đổi 1, 2, có thể tạo ra

được họ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều làm việc ở chế độ động cơ và hãm
tái sinh .
1.2.4 Mạch xung đảo chiều ( loại B kép )
Bộ biến đổi xung áp một chiều dùng van điều khiển IGBT (Hình 1.7) có khả
năng thực hiện điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện phụ tải. Trong các hệ
truyền động tự động thường có yêu cầu đảo chiều động cơ, do đó bộ biến đổi xung
áp này thường hay dùng để cấp nguồn cho các động cơ một chiều kích từ độc lập có
nhu cầu đảo chiều quay.

14


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

Hình 1. 8 Bộ biến đổi đảo chiều.

Hình 1. 9 Biểu đồ xung trong bộ biến đổi đảo chiều (Ud>0 quay thuận)

15


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

Các van IGBT từ T1 đến T4 làm nhiệm vụ các khóa không tiếp điểm. Các
diode đệm D1…D4 dùng để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện quá
trình hãm tái sinh.
Có các phương pháp điều khiển khác nhau như: điều khiển đối xứng, không
đối xứng hay hỗn hợp. Giả sử động cơ quay theo chiều thuận, tương ứng với các
cặp van T1 và T2 làm việc; van T3 sẽ luôn bị khóa, còn T4 sẽ được đóng mở ngược
pha với T1(xem Hình 1.8 a, b, c, d).

Bộ biến đổi xung áp một chiều có đảo chiều có 3 trạng thái làm việc:
- Trạng thái 1: E.γ > ED. Máy điện một chiều làm việc ở góc phần tư thứ
nhất (chế độ động cơ). Năng lượng cấp cho động cơ được lấy từ nguồn thông qua
van T1 và T2 dẫn trong khoảng (0 ÷ t1). Trong thời gian còn lại của chu kỳ (t 1 ÷ T),
năng lượng tích trữ trong điện cảm sẽ duy trì cho dòng điện đi theo chiều cũ và
khép mạch qua T2và D4 (Hình 1.8 f). Dòng điện tải được mô tả trên hình là đường
nét liền.
- Trạng thái 2: E.γ < ED. Máy điện làm việc ở góc phần tư thứ hai (chế độ
hãm). Trong khoảng thời gian (0 ÷ t 1), động cơ sẽ trả năng lượng về nguồn thông
qua diode D1 và D2 (ID1 = ID2 = It; đường It là đường nét đứt trong sơ đồ ở hình).
Trong khoảng (t1 ÷ T), dòng tải sẽ khép mạch qua T 4 (T4 dẫn) và D2 (ID2 = IT4 = It),
dòng tải sẽ có dạng như ở (Hình 1.8-h).
- Trạng thái 3: E.γ = ED.
Trong khoảng (0 ÷ t0), do E.γ < ED nên động cơ sẽ hãm trả năng lượng về
nguồn qua diode D1 và D2 (iD1 = iD2 = it).
Trong khoảng (t0 ÷ t1), E.γ > ED nên động cơ chuyển sang làm việc ở chế độ
động cơ. Năng lượng từ nguồn qua các van T1 và T2 được cấp cho động cơ (iT1 = iT2
= it).
Trong khoảng (t1 ÷ t2), lúc này T1 bị khóa, T4 được kích mở nhưng chưa dẫn.
Năng được lượng tích trữ trong điện cảm sẽ cấp cho động cơ và duy trì dòng điện đi
qua T2 và D4 khi đó (iT2 = iD4 = it).

16


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

Trong khoảng (t2 ÷ T), khi năng lượng dự trữ trong điện cảm hết, sức điện
động của động cơ sẽ đảo chiều dòng điện và dòng tải sẽ khép mạch qua T 4 và D2 (iT4
= iD2 = it). Quá trình này tạo ra tích lũy năng lượng trong điện cảm và khi T 4 bị khóa

thì UAB > E và quá trình lặp lại như ban đầu.

1.3 Phân tích một số mạch nghịch lưu
1.3.1 Phân tích mạch nghịch lưu một pha nguồn dòng
1) Sơ đồ nguyên lý

Hình 1. 10 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng một pha sơ đồ cầu H.

2) Nguyên lý làm việc
Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi Thyritstor T1, T2 lệch pha với
tín hiệu điều khiển đưa vào đôi T3 ,T4 một góc 180 độ điện. Điện cảm đầu vào
nghịch lưu lớn (Ld = ∞), do đó dòng điện đầu vào id được san phẳng (biểu đồ xung),
nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng dòng điện nghịch lưu (i) có dạng
xung vuông. Khi đưa xung vào mở cặp van T1,T2 , dòng điện i = i d = Id . Đồng thời
dòng qua tụ C tăng lên đột biến , tụ C bắt đầu nạp điện với cực (+) ở bên trái và cực
(-) ở bên phải. Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không. Do i = ic = i t =Id =
hằng số, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên. Sau một nửa
chu kỳ (t = t1) người ta đưa xung vào mở cặp van T3,T4. Cặp T3,T4 mở tạo ra quá
trình phóng điện của tụ C từ cực (+) về cực (-) . Dòng phóng ngược chiều với dòng
qua T1 và T2 sẽ làm choT1 và T2 bị khoá lại. Quá trình chuyển mạch gần như tức
thời. Sau đó tụ C sẽ được nạp điện theo chiều ngược lại với cực (+) ở bên phải và
cực (-) ở bên trái.

17


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

Như vậy chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các
Thyritstor.

Tại thời điểm t1 , khi mở T3 và T4 thì T1 và T2 sẽ bị khoá lại bởi điện áp
ngược của tụ C đặt vào. Khoảng thời gian duy trì diện áp ngược (t 1-t’1 ) là cần thiết
để duy trì qúa trình khoá và phục hồi tính điều khiển của van và t’ 1- t1 = tk ≥ toff là
thời gian khoá của Thyritstor hay chính là thời gian phục hồi tính điều khiển.
3) Dạng sóng điện áp, dòng điện trong mạch

Hình 1. 11 Dạng sóng dòng điện, điện áp trong mạch nghịch lưu nguồn dòng một pha
dùng sơ đồ cầu H.

18


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

1.3.2 Phân tích mạch nghịch lưu một pha nguồn áp
I) Sơ đồ nguyên lý

Hình 1. 12 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp 1 pha.

Trong đó: - T1, T2, T3, T4 : Là các IGBT có nhiệm vụ để đóng cắt hoặc điều chỉnh
thay đổi điện áp xoay chiều ra tải
- Zt: Là phụ tải gồm L mắc nối tiếp với R
- D1, D2, D3, D4: Là các diôt dẫn dòng khi tải trả năng lượng về nguồn nuôi.
- is: Là dòng điện cấp từ nguồn cho bộ biến đổi
 Khi is > 0 thì nguồn cung cấp năng lượng cho tải (các thyristor dẫn
dòng).
 Khi is < 0 thì tải trả năng lượng về nguồn nuôi (các diôt dẫn dòng).
- C: Tụ điện có nhiệm vụ san phẳng điện áp đầu vào và dự ttrữ năng lượng dưới
dạng điện trường.

19


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

2) Nguyên lý làm việc
(xét với tải R+L)

3) Dạng sóng dòng điện, điện áp
trong mạch

Giả sử trước thời điểm t = 0 khi đó T3 và
T4 đang cho dòng chạy qua tải (dòng tải đi từ B
 A). Khi t = 0 cho xung mở T 1 và T2, T3 và T4

bị khoá lại, dòng tải iS = -Im không thể đảo
chiều một cách đột ngột do tải có tính chất cảm.
Do vậy dòng tải tiếp tục chảy theo chiều cũ
nhưng theo mạch D1  E  D2  tải và suy
giảm dần về không, hai van D1 và D2 dẫn dòng
khiến T1 và T2 chưa kịp mở đã bị khoá lại. Đến
thời điểm t = t1, it = 0, D1 và D2 bị khoá lại, T1 và
T2 mở dòng tải i > 0 tăng dần và chảy theo
chiều từ A  B. Giai đoạn từ t = 0 đến t 1 là giai
đoạn hoàn năng lượng.
Khi t = T/2 ( tại thời điểm t2) cho xung
mở T3 và T4 đồng thời ngắt xung vào cực điều
khiển T1 và T2

nên

T1; T2 bị khoá lại. Lúc này

dòng tải chảy qua D3 và D4 khiến cho T3 và T4
chưa kịp mở đã bị khoá lại. Khi t = t3,
it = 0, lúc này van T3 và T4 sẽ mở cho
dòng điện đi qua với it < 0 chảy theo chiều từ B
 A. Dòng tải it biến thiên theo quy luật hàm

Hình 1. 13 Dạng sóng dòng điện và
điện áp mạch nghịch lưu nguồn áp với tải
R+L.

mũ giữa hai giá trị Im và -Im.

20


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

4) Phân tích các biểu thức dòng điện và điện áp tải
- Điện áp trên tải là các chuỗi xung vuông không phụ thuộc vào đặc tính
tải nên ta dễ dàng xác định được giá trị hiệu dụng điện áp tải
T

U1 

1
E 2 dt  E


T 0

- Với tải R+L dòng tải có dạng hàm mũ, do vậy muốn xác định được biểu
thức tính dòng điện tải ta có thể vận dụng phương pháp toán tử hoặc phương pháp
sóng điều hòa cơ bản.
* Phương pháp toán tử
Khi van T1 và T2 dẫn cho dòng điện qua tải ta có phương trình vi phân
Ldit
 Ri  E
dt
di
R
E
 t  i
dt L
L

(PT1)

Viết (PT1) dưới dạng toán tử
E
L.P
E
 PI ( P )  I m  aI ( P ) 
L.P
Im
Im
Im
E
a.E

a.E
 I ( p) 





L.P ( P  a ) ( P  a ) L.P ( P  a ).a ( P  a) R.P ( P  a ) ( P  a )
PI ( P )  i (0)  aI ( P ) 

Áp dụng bảng hàm ảnh - gốc trong toán tử ta xác định được nghiệm của PT1
là:
E
it  . 1  e  at  I m .e  at
R





21


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

* Phương pháp sóng điều hòa cơ bản
- Nhận thấy điện áp trên tải là các chuỗi xung chữ nhật đối xứng, nó là một
hàm lẻ nên chu kỳ khai triển Fourier là các số hạng sóng sin:
Ut 

4 E  sin( 2k  1)t
 2k  1
 k 1

Nếu chỉ lấy sóng điều hòa cơ bản (bậc 1 hay k=1) ta có
Ut 

4E
Sint


Lúc này ta coi dạng sóng điện áp có dạng sin vuông nên dòng điện tải được
xác định
it 

Ut
4E

Sin(t   )  I m sin(t   )
Zt . R2  X 2

Trong đó:
X  L. : Điện kháng tải
X
 arctg   : Góc trễ pha giữa dòng điện và điện áp tải
R

1.3.3 Phân tích một số mạch nghịch lưu ba pha nguồn dòng
1) Sơ đồ nguyên lý

Hình 1. 14 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng 3 pha dải điều chỉnh hẹp.

22


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

2) Nguyên lý làm việc
Trong thực tế nghịch lưu dòng ba pha được sử dụng phổ biến vì công suất
của nó lớn và đáp ứng được các ứng dụng trong công nghiệp Nghịch lưu dòng ba
pha sử dụng thyristor. Do đó có thể khoá được các thyristor cần phải có tụ chuyển
mạch (c1, c3, c5) vì mạch nghịch lưu dòng nên nguồn đầu vào phải là nguồn dòng
vì vậy coi như Ld = ∞
Để đảm bảo khoá được các thyristor và tạo nên hệ thống dòng điện ba pha
đối xứng thì luật dẫn điện tuân theo đồ thị trên hình vẽ. Qua đồ thị ta thấy rằng mỗi
van động lực chỉ dẫn trong khoảng thời gian λ =120 độ điện. Quá trình chuyển
mạch bao giờ cũng diễn ra đối với các van trong cùng một nhóm.
Xét khoảng thời gian 0 ÷ t1 : lúc này T1 và T6 dẫn. Dòng sẽ qua T1, Za, Zb
và T6. Đồng thời sẽ có dòng nạp cho tụ C1 qua T1- C1 – T6. Khi tụ C1 được nạp
đầy thì dòng qua tụ bằng không. Tụ C1 được nạp với dấu điện áp ( như hình 6) sẽ
chuẩn bị cho quá trình chuyển mạch khoá T1. Tại thời điểm t = t2, khi mở T3, điện
áp ngược của tụ C1 đặt lên T1 làm cho T1 bị khoá lại. Tương tự như vậy khi T2 và
T3 dẫn ( t2 ÷ t3 ) thì tụ C3 được nạp với dấu hiệu điện áp để chuẩn bị khoá T3.
Đối với nhóm catôt chung T2, T4, T6 quá trình chuyển mạch cùng diễn ra như
vậy. Ví dụ tụ C5 được nạp trong khoảng t1 t 2 ( khi T1 và T2 dẫn) với dấu đảm bảo
để khoá T4 khi mở T2 tại thời điểm t3.
Theo phân tích ở trên ta đã thấy do tải luôn mắc song song với tụ chuyển
mạch nên gữa hai tụ luôn luôn có sự trao đổi năng lượng với nhau nên gữa tải và
tụ luôn có sự trao đổi năng lượng, ảnh hưởng này làm cho đường đặc tính ngoài
khá dốc và hạn chế vùng làm việc của nghịch lưu dòng. Để làm giảm ảnh hưởng

của tải đến quá trình nạp tụ C, ta sử dụng điôt ngăn cách ( D1 , D2 , D3 , D4 , D5 , D6 ) .
Việc sử dụng các điôt này đòi hỏi phải chia tụ chuyển mạch làm hai nhóm: Nhóm
C1 , C 3 , C 5 dùng để chuyển mạch cho các van T1 , T3 , T5 : còn nhóm C 2 , C 4 , C 6 dùng

để chuyển mạch cho các van T2 , T4 , T6 .

23


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

Hình 1. 15 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn dòng 3 pha dải điều chỉnh hẹp.

Nghịch lưu dòng không chỉ tiêu thụ công suất phản kháng mà còn phát ra
công suất tác dụng vì: dòng id không đổi hướng, nhưng dấu điện áp trên hai đầu
nguồn có thể đảo đấu. Điều đó có nghĩa, khi nghịch lưu làm việc với tải là động cơ
xoay chiều thì động cơ có thể thực hiện hãm tái sinh.
3) Dạng sóng dòng điện ba pha

Hình 1. 16 Dạng sóng dòng điện qua các pha mạch nghịch lưu nguồn dòng 3 pha dải điều
chỉnh hẹp.

24


Thiết kế, chế tạo mô đun thực tập mạch điều áp một chiều

1.3.4 Phân tích mạch nghịch lưu ba pha nguồn áp
1) Sơ đồ nguyên lý

Hình 1. 17 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nguồn áp 3 pha..

2) Nguyên lý làm việc
* Giả thiết khi phân tích sơ đồ
- Để thuận tiện khi mô tả nguyên lý ta giả thiết khi nghiên cứu :
+ Van lý tưởng khi dẫn điện áp trên van bằng không; khi khóa dòng rò bằng
không
+ Nguồn cung cấp có nôi trở rất nhỏ và có khả năng dẫn điện theo hai chiều.
+ Các van động lực từ T1 đến T6 làm việc với độ dẫn điện là 180 độ điện.
+ Tải ba pha đối xứng.
* Giới thiệu khái quát sơ đồ
- Các diode từ D1 đến D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn. Tụ điện
C đảm bảo là nguồn áp và tiếp nhận năng lượng phản kháng từ tải.
- Các van phải dẫn tuân theo luật như trên giản đồ dòng điện, điện áp. Như
vậy van T1 và T4 dẫn lệch nhau một góc 1800 để tạo nên pha A.
T3 và T6 dẫn lệch nhau một góc 1800 để tạo nên pha B
T2 và T5 dẫn lệch nhau một góc 1800 để tạo nên pha C

25