GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGUỒN ỔN ÁP MỘT CHIỀU

CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU CHUNG
VỀ NGUỒN ỔN ÁP MỘT CHIỀU


Hiện nay trong công nghiệp có rất nhiều ứng dụng dùng điện áp một chiều do
những ưu điểm vượt trội của nó. Điện áp một chiều được sử dụng trong các máy
vận chuyển; trong truyền động máy cắt gọt, trong giao thông đường sắt: ôtô chạy
điện, xe rùa bốc dỡ hàng, trong kỹ thuật điện hoá... Động cơ một chiều có
mômen mở máy lớn, điều chỉnh trơn được tốc độ và rất đa dạng trong việc lựa
chọn công suất.
Tuy nhiên việc dùng động cơ điện một chiều có một số hạn chế là dòng điện
một chiều không sử dụng rộng rãi, chế tạo phức tạp, cồng kềnh. Do đó để có
được dòng điện một chiều ta phải biến đổi từ dòng điện xoay chiều được dùng
rộng rãi nhờ
“
Nguồn ổn áp một chiều
”.

Nguồn ổn áp một chiều là một máy điện biến dòng điện xoay chiều tần số
50Hz thành dòng điện một chiều có điện áp tuỳ ý dựa vào yêu cầu của phụ tải.
Điện áp đầu ra có thể giữa cố định trong một khoảng điện áp nào đó nhờ vào tín
hiệu xung điều khiển Tranzitor. Mạch ổn áp gồm 4 phần chính sau:
+ Biến áp: Biến đổi điện áp từ lưới điện 220V tần số 50Hz thành điện áp thấp
phù hợp với đầu vào của bộ chỉnh lưu bán dẫn.
+ Chỉnh lưu: Là bộ biến đổi điện áp xoay chiều ở đầu vào thành điện áp một
chiều ở đầu ra có độ nhấp nhô phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu.
+ Bộ lọc: là bộ để lọc bớt thành phần sóng hài bậc cao của điện áp chỉnh lưu
nhằm mục đích san phẳng điện áp chỉnh lưu
+ Mạch ổn áp: là mạch để duy trì điện áp tải ở một khoảng nhất định khi phụ tải

thay đổi đột ngột.





CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG ÁN MẠCH CHỈNH LƯU


Để điều chỉnh điện áp ra ta có thể sử dụng các phương án mạch như
sau :
Với yêu cầu của đề tài, mạch chỉnh lưu cần phải có chất lượng điện áp ra
rất tốt với hệ số đập mạch rất nhỏ, vì vậy ở đây ta chỉ xét đến các sơ đồ
cầu : chỉnh lưu điều khiển cầu một pha đối xứng, không đối xứng ; chỉnh
lưu điều kiển cầu ba pha đối xứng , không đối xứng và chỉnh lưu cầu
không điều khiển 1 pha , 3 pha kết hợp với băm xung.
1. Chỉnh lưu điều khiển một pha sơ đồ cầu :
1.1.Sơ đồ đối xứng :
- ta có sơ đồ mạch lực như hình vẽ sau :

a. sơ đồ nguyên lý ( hình 1.a)


I
T1
I
T4

b. đồ thị dòng áp (hình 1.b)
α
Π
u
d
i
d
i
1
i
4
i
2
ωt
ωt
ωt
ωt
ωt
2Π
I
d
I
d

I
d
I
d
- I
d


Hình 1.b_đồ thị dòng áp _sơ đồ
cầu

điều khiển một pha đối xứng

- điện áp vào
tsinU2u
22
ω=
(V) ω = 2πf , f = 50Hz
Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ như sau : trong nửa chu kỳ đầu u
2
>
0 T
1
có khả năng mở, tại thời điểm t
1
ta đưa xung mở thysistor T
1
và T
3
,

chúng mở ngay và cho dòng chảy theo đường T
1
- Tải - T
3
- Nguồn , áp
đặt lên tải u
d
= u
2
và có chiều như hình vẽ .Tương tự trong nửa chu kỳ
sau , tại t = t
2
ta đưa xung vào mở thysistor T
2
và T
4
, dòng sẽ chảy theo
đường T
2
- Tải - T
4
- Nguồn .
C . Hoạt động của sơ đồ: (khi không xét đến trùng dẫn)
cầu gồm 6 thyristor chia thành 2 nhóm nhóm Catốt chung :T
1,
, T
3
, T
5
;

nhóm Anốt chung : T
2
, T
4
, T
6
;
điện áp các pha thứ cấp máy biến áp lần lượt là: U
a
=
2
2sinU
θ
;
U
b
=
2
2sin( 2
3
U )
π
θ
−
;
U
c
=
2
2sin( 4

3
U )
π
θ
−
;
Góc mở
α
được tính từ điểm chuyển mạch tự nhiên( giao điểm của các
nửa hình sin).
Giả thiết T
5
, T
6
đang dẫn cho dòng chảy qua V
F
= V
c
; V
G
= V
b
;
* Khi
θ
=
θ
1
=
6

π
+
α
cho xung điều khiển mở T
1
.thyristor này được mở vì
V
a
>0 sự mở của T
1
làm cho T
5
bị khoá lại một cách tự nhiên vì V
a
> V
c
.
Lúc này T
6
và T
1
cho dòng chảy qua, và điện áp trên tải là:
U
d
=U
ab
=V
a
-V
b

;
 Khi
θ
=
θ
2
= 3
6
π
+
α
cho xung điều khiển mở T
2
khi T
2
mở nó làm cho
T
6
bị khóa lại tương tự trên .
 Quá trình cứ tiếp tục như vậy, mỗi van được đưa xung vào mở sau
1
3
T
;
 Ta có biểu thức tính toán sau:
điện áp trung bình trên tải : U
d
=
5
6

2
6
63
2sin cos
2
Ud
π
α
π
α
6
θ θα
ππ
+
+
=
∫

điện áp ngược lớn nhất đặt lên van: U
nmax
=
2
6U
;
dòng điện chảy qua các van là : I
T
= I
d
/ 3;

2. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 fa điều khiển :

a. sơ đồ:( Hình 2a)










Hình 2a_sơ đồ chỉnh điều khiển cầu 3 fa
I
T4
I
T1
I
6
b. Đồ thị dòng áp mạch chỉnh lưu cầu 3 fa ĐK(
Hình 2b )

d . hoạt động của sơ đồ: (khi không xét đến trùng dẫn)
cầu gồm 6 thyristor chia thành 2 nhóm nhóm Catốt chung :T
1,
, T
3
, T
5
;
nhóm Anốt chung : T
2
, T
4
, T

6
;
điện áp các pha thứ cấp máy biến áp lần lượt là: U
a
=
2
2sinU
θ
;
U
b
=
2
2sin( 2
3
U
u
A
u
B
u
C
t1

t2

t3 t4 t5 t6

t7

0

ω
t
uf

2 Π Π
)
π
θ
−
;

Ud

I
1
I
6
I
d
Ungmax

ω
t
ω
t
ω
t
ω

t
ω
t
i
T1

i
T6


u
T1

ω
t
i
a

0
0
0
0
0
0

U
c
=
2
2sin( 4

3
U )
π
θ
−
;
Góc mở
α
được tính từ điểm chuyển mạch tự nhiên( giao điểm của các
nửa hình sin).
Giả thiết T
5
, T
6
đang dẫn cho dòng chảy qua V
F
= V
c
; V
G
= V
b
;
* Khi
θ
=
θ
1
=
6

π
+
α
cho xung điều khiển mở T
1
.thyristor này được mở vì
V
a
>0 sự mở của T
1
làm cho T
5
bị khoá lại một cách tự nhiên vì V
a
> V
c
.
Lúc này T
6
và T
1
cho dòng chảy qua, và điện áp trên tải là:
U
d
=U
ab
=V
a
-V
b

;
 Khi
θ
=
θ
2
= 3
6
π
+
α
cho xung điều khiển mở T
2
khi T
2
mở nó làm cho
T
6
bị khóa lại tương tự trên .
 Quá trình cứ tiếp tục như vậy, mỗi van được đưa xung vào mở sau
1
3
T
;
 Ta có biểu thức tính toán sau:
điện áp trung bình trên tải : U
d
=
5
6

2
6
63
2sin cos
2
Ud
π
α
π
α
6
θ θα
ππ
+
+
=
∫

điện áp ngược lớn nhất đặt lên van: U
nmax
=
2
6U
;
dòng điện chảy qua các van là : I
T
= I
d
/ 3;

 nhận xét:
sơ đồ chỉnh lưu cầu 3fa điều khiển có ưu điểm là có thể dễ dàng điều
khiển các thyristor đóng mở thông qua góc mở
α
, và công suất của sơ đồ
là khá lớn . Nhưng bên cạnh đó nó có những hạn chế nhất định như :
chất lượng điện áp ra xấu phụ thuộc vào góc mở
α
và hiện tượng trùng
dẫn. Sơ đồ này chỉ nên dùng với yêu cầu công suất lớn mà không quan
tâm đến chất lượng áp ra ! .
3. Bộ băm xung áp một chiều
1. Giới thiệu chung
Bộ băm xung áp một chiều dùng để biến đổi điện áp một chiều E thành
xung điện áp một chiều có trị số trung bình U
tb
có thể thay đổi được.
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp trị số trung bình U
tb

của các xung điện áp đặt vào phụ tải có thể điều chỉnh từ trị số không
đến trị số lớn nhất bằng điện áp một chiều E cung cấp cho bộ băm: 0 <
U
tb
≤ E.
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp có thể điều chỉnh cho
điện áp trung bình trên tải U
tb
đạt đến giá trị lớn hơn điện áp E đặt của
nguồn điện: E < U

tb
<∝.
Bộ băm xung áp một chiều được coi như là một công tắc tơ tĩnh đóng
mở liên tục một cách chu kỳ. Nó được sử dụng rộng rãi trong các máy
vận chuyển, trong truyền động máy cắt gọt, trong giao thông đường sắt,
ôtô chạy điện, xe rùa bốc dỡ hàng, trong kỹ nghệ điện hoá...
Thiết bị băm xung làm việc với hiệu suất cao tổn hao năng lượng ít
hơn so với phương pháp điều chỉnh điện áp một chiều liên tục, ít nhạy
cảm với môi trường vì tham số điều chỉnh là thời gian đóng mở để đặt
hoặc cắt nguồn trên tải, kích thước nhỏ. Tuy nhiên bộ băm xung áp có
nhược điểm là : phải dùng cùng với bộ lọc đầu ra do đó làm tăng quán
tính của qúa trình điều khiển khi sử dụng các mạch điều khiển kín. Nếu
tần số đóng mở lớn sẽ phát sinh ra nhiễu vô tuyến.
2. Nguyên tắc hoạt động của bộ băm xung áp một chiều làm việc ở
chế độ giảm áp.
Bộ băm xung áp một chiều là một khoá điện H làm bằng tranzito hay
bằng tiristo được điều khiển đóng mở một cách chu kỳ. Khi làm việc ở
chế độ giảm áp bộ băm xung áp một chiều H được đặt nối tiếp giữa
nguồn điện áp một chiều E và phụ tải như trên hình vẽ.
a) Trị số trung bình của điện áp trên tải U
tb
.
Khi bộ băm H đóng điện thì điện áp đặt lên tải có trị số u = E. Còn khi
H ngắt điện thì u = 0.
Sơ đồ nguyên lý:

Trị số trung bình của điện áp một chiều đặt lên phụ tải là:
EE
T
T
Edt
T
udt
T
U
d
T
T
tb
d
α
====
∫∫
00
11

với T
đ
là thời gian đóng của khoá H, hay độ rộng xung T là chu kì băm,
hay chu kì xung α =
T
T
d
là hệ số lấp đầy xung áp còn gọi là tỉ số chu kì: ta
có α ≤ 1.

Bằng cách biến đổi trị số của hệ số α ta nhận được các trị số khác
nhau của điện áp trung bình của điện áp trung bình U
tb
trên phụ tải.
Có thể cho α biến đổi bằng hai cách:
1 - Cố định chu kì băm T, thay đổi thời gian đóng điện T
đ
của bộ băm,
ta có bộ băm tần số cố định.
2 - Cố định thời gian đóng điện T
đ
, biến đổi chu kì băm T, ta có bộ băm
tần số biến thiên.
H
L
R
E

U

Nếu T
đ
= 0 thì α = 0 ta có U
tb
= 0 lúc này bộ băm thường xuyên ngắt
mạch. Khi T
đ
= T, ta có α =1 và U
tb
= E, bộ băm thường xuyên đóng

mạch điện. Bộ băm xung áp một chiều thường đóng điện và ngắt điện
liên tục với tần số cao (200 ÷ 500Hz) nên thường là một khoá bán dẫn.
b) Sơ đồ thực tế của bộ xung áp một chiều dùng transistor
Bộ băm xung áp sử dụng tranzito có tần số băm lớn khoảng vài
kilohert. Các tranzito không cần mạch để khoá lại như tiristo nên rất đơn
giản và có thể làm việc với tần số tương đối lớn. Các bộ băm dùng
tranzito công suất có thể đạt tới tần số băm từ 10 đến 100 kHz một cách
dễ dàng. Khi dùng bộ băm xung áp có thể không cần dùng cuộn cảm san
bằng hoặc chỉ cần cuộn cảm có điện cảm nhỏ nối tiếp với tải cũng đủ san
bằng dòng điện trên tải thành dòng điện một chiều có trị số không đổi.
Nhược điểm của bộ băm điện bằng Tranzito là có công suất nhỏ, chỉ
đạt cỡ vài kilôoát đến vài chụ kilôoát là cùng.
Sơ đồ của bộ băm xung áp một chiều dùng Tranzito.












Tải


Chỉnh lưu
không

điều khiển
L
2
•

•

•
•
•

•

K
D
C
1
Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp một chiều
Ld
Rd


Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc như một công tác tơ tĩnh (K) đóng mở
liên tục 1 cách chu kì . Nhờ vậy mà biến đổi được điện áp một chiều không đổi E
thành các xung điện áp một chiều U
tb
có trị số có thể điều chỉnh được. Điện áp U
tb

này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ ô tô.

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0<U
tb
<E.
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E<U
tb
<0.
Trong sơ đồ trên L,C là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tải thực tế
là không đổi ,mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lượng điều chỉnh .
Điện áp trên tải thu được phụ thuộc vào tần số đóng cắt khoá K.Trong khi đó
các hạn chế về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi điện áp một chiều quyết định
giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi .Để tránh các sóng không mong muốn và từ
đấy tránh được Momen đập mạch thì tần số phải lớn hơn một mức nào đó .Tần số
đóng cắt càng nhanh thì càng giảm được kích thước của bộ lọc ,nhưng nếu quá lớn
sẽ sinh ra nhiễu vô tuyến .Vì vậy phải cân nhắc để lựa chọn được bộ biến đổi làm
việc ở dải tần thích hợp( dưới 1KHz). Thực tế thường dùng tần số băm khoảng
400Hz ÷ 600Hz.
Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý được thay bằng khoá điện tử cụ thể là
Tiristor hoặc Transistor(Công suất hoặc MOS).
Dùng Tiristor có ưu điểm là trị số giới hạn cao ,làm việc chắc chắn rẻ tiền,tổn
hao khi dẫn nhỏ nhưng có nhược điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở tần số
đóng mở thấp (dưới 500Hz).
Transistor MOS thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn 100KHz.
Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 10->100Khz,có giá thành rẻ
hơn,tổn hao ít hơn MOS.
Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằng Tiristor,nhưng
Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor
4.So sánh các phương án :
từ các phân tích ở trên ta thấy khi dùng các phương pháp chỉnh lưu 1 pha hay 3 pha
điều khển không đối xứng thì hệ số đập mạch của điện áp ra rất lớn nên ta sẽ không
dùng các phương pháp này .

với phương pháp dùng chỉnh lưu điều khiẻn hoàn toàn ta thấy vấn đề điều khiển các
van Thysistor tương đối phức tạp và bộ điều khiển cồng kềnh đồng thời khi góc mở
thay đổi thì chất lượng điện áp ra cũng thay đổi nhiều .Với bộ băm xung kết hợp với
chỉnh lưu không điều khiển do ta có thể băm vơi tần số rất cao nên đặc tính lọc sẽ tốt
hơn đồng thời việc điều khiển cũng dễ dàng hơn.
Do yêu cầu của bộ ổn áp một chiều công suất nhỏ nên ta sẽ chọn phương án dùng
chỉnh lưu không điều khiển kết hợp với bộ băm xung áp một chiều .Phương pháp này
có ưu điểm là dùng các van Diode rẻ tiền hơn các van Thysistor đồng thời việc điều
khiển dễ dàng hơn do ta không cần bộ đồng pha , dịch pha và ta chỉ điều khiển một
van điều khiển hoàn toàn .





CHƯƠNG 3
TÍNH TOÁN MẠCH LỰC
Trong chương trước ta đã chọn được sơ đồ mạch lực cho bộ ổn áp như sau :








Ta có sơ đồ mạch lực như sau :


Máy biến

áp
Chỉnh
lưu
không
điều
khiển


Bộ băm


Bộ lọc
U
R
= 24 VDC

Bộ điều
chỉnh
dòng
220 V
MBA
60VDC
+
C1
L
24VDC
+
T1
T2
D

B
0

C2






Trong mạch lực như trên T1 làm việc ở chế độ bão hoà như một khoá đóng cắt , T2
làm việc ở chế độ tuyến tính để ổn định áp ra
1. Tính toán các thông số điện áp, dòng điện và công suất máy biến áp
Máy biến áp công suất cỡ vài kVA thuộc loại MBA công suất nhỏ, sụt áp trên điện
trở tương đối lớn, khoảng 4% , sụt áp trên điện kháng ít hơn cỡ 1,5% . Điện áp sụt
trên hai Diode nối tiếp khoảng 2 V do đó ta có điện áp chỉnh lưu lúc không tải sẽ là :
U
d0
= 60.1,055 + 2 = 65,3 V
Trị số hiệu dụng của điện áp pha thứ cấp MBA :

V
U
U
d
28
63
0
2
=

π
=

Tỷ số biến áp :
1270
220
28
1
2
,
U
U
m ===


+ Dòng điện các cuộn dây:
- Dòng điện của cuộn thứ cấp:
I
2
=
A,I.
d
6632
3
2
=

- Dòng điện của cuộn sơ cấp:
I
1

= m.I
2
=4,15 A
Công suất của MBA : S = 3.220.4,15 = 2740 W
Ta tiến hành chọn máy biến áp với các thông số trên.
2. Tính toán mạch từ MBA
Chọn mạch từ 3 trụ tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức:

fc
S
KQ
ba
×
×=

Trong đó :
k: Hệ số kinh nghiệm (thường lấy K=5,8
÷
6,4).Với MBA khô lấy K=6.