Nghiên cứu các chế độ làm việc cả hệ thống chỉnh lưu pwm động cơ điện một chiều kích từ độc lập

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

BÙI VĂN VŨ

NGHIÊN CỨU CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA
HỆ THỐNG CHỈNH LƢU PWM - ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

BÙI VĂN VŨ

NGHIÊN CỨU CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA
HỆ THỐNG CHỈNH LƢU PWM - ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số
:
62.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

Đà Nẵng – Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào
khác.
Luận văn được thực hiện dưới sự giúp đỡ của Thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS.
Đoàn Quang Vinh cùng sự giảng dạy nhiệt tình của Thầy, Cơ giáo trong Bộ mơn Kỹ
thuật điều khiển và Tự động hóa của Khoa Điện, Trường Đại Học Bách Khoa, Đại
Học Đà Nẵng.
Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên

Bùi Văn Vũ


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
TĨM TẮT LUẬN VĂN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1

CHƢƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƢU
THYRISTOR – ĐC ĐIỆN MỘT CHIỀU....................................................................4
1.2. CÁC MẠCH CHỈNH LƢU THƢỜNG DÙNG TRONG HỆ T – Đ .......................4
1.2.1. Chỉnh lƣu hình tia 3 pha ....................................................................................4
1.2.1.1. Chế độ dòng liên tục ..................................................................................5
1.2.1.2. Hiện tƣợng chuyển mạch ...........................................................................7
1.2.1.3. Chế độ dòng điện gián đoạn ......................................................................9
1.2.1.4. Chế độ nghịch lƣu phụ thuộc ...................................................................13
1.2.2. Chỉnh lƣu hình cầu 3 pha ................................................................................14
1.2.2.1. Chế độ dòng điện liên tục: .......................................................................14
1.2.2.2. Hiện tƣợng chuyển mạch .........................................................................16
1.2.2.3. Chế độ dòng điện gián đoạn ....................................................................17
1.2.2.4. Chế độ nghịch lƣu phụ thuộc ...................................................................18
1.3. KẾT LUẬN ............................................................................................................18
CHƢƠNG 2. HỆ THỐNG CHỈNH LƢU PWM.......................................................20
2.1. GIỚI THIỆU VỀ PHƢƠNG PHÁP CHỈNH LƢU PWM SIN – TAM GIÁC ......20
2.2. HỆ THỐNG CHỈNH LƢU PWM ..........................................................................21
2.2.1. Xây dựng sơ đồ điều khiển .............................................................................21
2.2.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động ............................................................. 21
2.2.1.2. Sự mất cân bằng điện áp trên thanh dẫn một chiều .................................25
2.2.1.3. Hệ số cos của bộ chỉnh lƣu ....................................................................27
2.2.1.4. Thiết kế bộ điều khiển điện áp cho bộ chỉnh lƣu .....................................29
2.2.1.5. Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung với ba sóng mang lệch pha 120o ...32
2.2.2. Kết quả mô phỏng bộ chỉnh lƣu PWM ........................................................... 34
2.2.2.1. Kết quả mô phỏng bộ chỉnh lƣu PWM khi sử dụng phƣơng pháp điều
chế độ rộng xung với một sóng mang (CSPWM) .........................................................34


2.2.2.2. Kết quả mô phỏng bộ chỉnh lƣu PWM khi sử dụng phƣơng pháp điều
chế độ rộng xung với 3 một sóng mang (SPWM) .........................................................38

2.3. KẾT LUẬN ............................................................................................................41
CHƢƠNG 3. CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐC ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH
TỪ ĐỘC LẬP TRONG HỆ T – Đ VÀ HỆ THỐNG CLPWM – Đ ........................43
3.1. QUÁ TRÌNH KHỞI ĐỘNG ĐC ............................................................................43
3.1.1. Phƣơng pháp khởi động ĐC điện một chiều qua điện trở phụ .......................43
3.1.2. Phƣơng pháp khởi động ĐC điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp
phần ứng ........................................................................................................................46
3.1.2.1. Ý tƣởng của phƣơng pháp .......................................................................46
3.1.2.2. Xác định điện áp khởi động .....................................................................47
3.1.2.3. Ứng dụng phƣơng pháp khởi động ĐC điện một chiều bằng cách thay
đổi điện áp phần ứng trong hệ T – Đ .............................................................................49
3.1.2.4. Ứng dụng phƣơng pháp khởi động ĐC điện một chiều bằng cách thay
đổi điện áp phần ứng trong hệ thống CLPWM – Đ ......................................................53
3.2. CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐC ....................................................................55
3.2.1. Hệ truyền động Chỉnh lƣu thyristor - ĐC điện 1 chiều (T - Đ) ......................55
3.2.1.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ T - Đ ..................................................................56
3.2.1.2. Sơ đồ thay thế của hệ T – Đ khơng đảo chiều .........................................57
3.2.1.3. Đặc tính cơ của ĐC trong hệ T – Đ .........................................................59
3.2.1.4. Kết luận ....................................................................................................66
3.2.2. Hệ thống chỉnh lƣu PWM – ĐC điện một chiều (CLPWM – Đ) ...................67
3.2.2.1. Sơ đồ thay thế của hệ thống chỉnh lƣu PWM – ĐC điện một chiều
không đảo chiều. ............................................................................................................67
3.2.2.2. Đặc tính cơ của ĐC trong hệ thống CLPWM - Đ ...................................68
3.2.3. Kết luận ...........................................................................................................78
3.3. QUÁ TRÌNH ĐẢO CHIỀU ...................................................................................79
3.3.1. Quá trình đảo chiều ở hệ T - Đ .......................................................................79
3.3.1.1. Đảo chiều bằng phƣơng pháp điều khiển riêng .......................................79
3.3.1.2. Đảo chiều bằng phƣơng pháp điều khiển chung......................................84
3.3.2. Quá trình đảo chiều ở hệ thống CLPWM – Đ ................................................87
3.4. PHÂN TÍCH SĨNG HÀI BẬC CAO VÀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN ÁP ĐẦU RA

CỦA BỘ BIẾN ĐỔI ......................................................................................................90
3.4.1. Phân tích sóng hài ........................................................................................... 90
3.4.1.1. Sóng hài bậc cao và ảnh hƣởng của chúng ..............................................90
3.4.1.2. Phân tích sóng hài bậc cao trong hệ T – Đ ..............................................92


3.4.1.3. Phân tích sóng hài bậc cao trong hệ thống CLPWM – Đ ........................94
3.4.2. Chất lƣợng điện áp một chiều cấp cho ĐC trong hệ T – Đ và hệ thống
CLPWM – Đ ..................................................................................................................95
3.5. KẾT LUẬN ............................................................................................................97
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................99
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO


TÓM TẮT LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG CHỈNH
LƢU PWM - ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
Học viên: Bùi Văn Vũ.
Mã số: 62 52 02 16.

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa.
Khóa: 31.

Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Với ƣu điểm vƣợt trội là có thể điều chỉnh tốc độ trong phạm vi điều chỉnh rộng, trơn
mƣợt hơn so với ĐC điện xoay chiều, ĐC điện một chiều (DCM) vẫn còn đƣợc sử dụng nhiều ở
những nơi cần đƣợc điều chỉnh tốc độ có độ chính xác cao và trơn nhƣ máy dệt, máy in, robot...
Kể từ khi công nghệ bán dẫn phát triển mạnh, việc điều khiển DCM đƣợc thực hiện thông qua các

bộ biến đổi điện áp dùng thyristor, chỉnh lƣu thyristor. Tuy nhiên, các bộ biến đổi dùng thyristor
truyền thống này (bộ băm áp, bộ chỉnh lƣu hình tia ba pha, chỉnh lƣu hình cầu 3 pha) có những
nhƣợc điểm nhƣ: Làm biến dạng dòng điện xoay chiều đầu vào; Dòng đầu vào chứa nhiều sóng
hài điều hịa bậc cao; Sự nhấp nhơ đỉnh – đỉnh của điện áp đầu ra cao; Chỉ cho năng lƣợng đi theo
một chiều dẫn đến khó khăn trong việc trả năng lƣợng dƣ thừa của DCM về phía xoay chiều; Tồn
tại trạng thái dịng điện gián đoạn trên đặc tính cơ của DCM. Tuy nhiên, bộ chỉnh lƣu PWM mà
tác giả trình bày có thể khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm của các bộ chỉnh lƣu, bộ biến đổi
truyền thống dùng thyristor nói trên. Bên cạnh đó, vấn đề giữ giá trị dịng điện trung tính trong bộ
chỉnh lƣu PWM ở mức thấp cũng đƣợc xem xét. Tác giả cũng đi phân tích và dẫn giải chi tiết
phƣơng pháp khởi động DCM bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, cái mà có thể khắc phục đƣợc
những nhƣợc điểm của phƣơng pháp khởi động DCM thông qua điện trở.

Từ khóa - Động cơ điện một chiều (DCM); Chỉnh lƣu thyristor; Chỉnh lƣu PWM; Sóng hài bậc
cao; Sự nhấp nhơ điện áp đầu ra; Dịng điện trung tính; Phƣơng pháp khởi động.

RESEARCHING WORKING MODES OF PWM RECTIFIER SYSTEM –
SEPARATELY EXCITED DIRECT CURRENT MOTOR
Abstract - Because direct current motors’s adjustment range is wider and smoother than
alternating current motors’s is, direct current motors (DCM) are still used in places where high
speed precision and smooth speed control are required such as weaving machines, printers, robots...
Since semiconductor technology developed, DCM control has been performed through voltage
converters, rectifiers that use thyristors. However, these traditional thyristor converters have
following major disadvantages such as input alternating current is deformed; A lot of high order
harmonics are generated in grid; Power factor is low; Peak-to-peak ripple in output direct voltage is
high; Energy only flows in one direction; DCM’s mechanical characteristic exists area where
motor’s current is not continous. However, PWM rectifier is presented can overcome the
disadvantages of conventional thyristor rectifiers or thyristor converters that were above
mentioned. In addition, the issue of keeping the neutral currents in the PWM rectifier low is also
considered. In this thesis, the author also presents, analyzes and explains the DCM start-up method
by varying the armature voltage, which can overcome the disadvantages of the DCM start-up

method through resistances.

Key words - Direct current motor (DCM); Thyristor rectifier; PWM rectifier; High order
harmonic; Peak-to-peak ripple in output voltage; Neutral current; Start-up method.


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU:
a
Co

Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng ĐC.
Điện dung của tụ phân áp trên thanh dẫn một chiều (F).

Dj

Hệ số thời gian mở van của van 1 trong một chu kỳ sóng
mang (%).

Ed
E’ d
Eu
f

Suất điện động đầu ra của bộ chỉnh lƣu thyristor (V).
Suất điện động đầu ra của bộ chỉnh lƣu PWM (V).
Suất điện động phần ứng của ĐC (V).
Tần số của lƣới điện (Hz).

fc

Tần số sóng mang (Hz).

icb
Id
Idc
iN
In
Io

Dịng điện cân bằng chạy trong mạch chỉnh lƣu (A).
Dòng điện tải của bộ chỉnh lƣu (A).
Dòng điện trên thanh dẫn một chiều bộ chỉnh lƣu PWM (A).
Dịng điện trong dây trung tính của bộ chỉnh lƣu PWM (A).
Biên độ thành phần sóng hài bậc n của dòng điện (A).
Dòng điện tải một chiều tại đầu ra bộ chỉnh lƣu PWM (A).

Io1(ss)
Ioff

Dòng điện sai lệch xác lập (A).
Dòng sai lệch do sai số của cảm biến dòng gây ra (A).

iu
Iu
Iudm
I1
Ij

Giá trị tức thời của dòng điện phần ứng ĐC (A).

Giá trị hiệu dụng của dòng điện phần ứng ĐC (A).
Dòng điện phần ứng định mức của ĐC (A).
Biên độ thành phần sóng hài cơ bản của dịng điện (A).
Dòng điện đầu vào của pha j ( j  R, Y, B là các pha) (A).

iR , iY , iB

Thành phần dịng điện nhấp nhơ do việc đóng cắt các van trên

Kh
Kkd
LC
Lk
Lu
LBA
L1
L2
m
M
Mc

các pha R, Y, B gây ra (A).
Hệ số dòng điện hãm của ĐC.
Hệ số dòng điện khởi động của ĐC.
Giá trị điện cảm của cuộn cảm ở mạch chỉnh lƣu PWM (H)
Điện cảm tản của dây quấn thứ cấp máy biến áp (H).
Điện cảm cuộn dây phần ứng của ĐC (H).
Điện cảm của máy biến áp nguồn (H).
Điện cảm của cuộn dây sơ cấp máy biến áp nguồn (H).
Điện cảm của cuộn dây thứ cấp máy biến áp nguồn (H).

Số xung đập mạch tính trong một chu kỳ điện áp lƣới.
Mô men điện từ của ĐC (Nm).
Mô men cản của ĐC (Nm).


N
p
P
PF
R

Mô men cản định mức của ĐC (Nm).
Giá trị điện áp điều chế của pha j (V).
Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng của ĐC.
Số đôi cực từ chính của ĐC.
Cơng suất tác dụng (W).
Hệ số cơng suất.
Điện trở mạch một chiều ().

RBA

Điện trở của máy biến áp nguồn ().

RC

Giá trị điện trở tƣơng đƣơng của các tụ Co ().

Re

Giá trị điện trở tƣơng đƣơng của bộ chỉnh lƣu ().

Rf

Giá trị điện trở phụ lúc khởi động ĐC ().

RL
Rs

Điện trở của cuộn cảm L ở bộ chỉnh lƣu PWM ().
Hệ số khuếch đại cảm biến dòng.

Ru

Điện trở cuộn dây phần ứng của ĐC ().

Rut

Điện trở tổng trong mạch điện phần ứng của ĐC ở hệ truyền
động Chỉnh lƣu thyristor – ĐC điện một chiều ().

R’ut

Điện trở tổng trong mạch điện phần ứng của ĐC ở hệ thống
chỉnh lƣu PWM – ĐC điện một chiều ().

Ro

Điện trở tải của bộ chỉnh lƣu PWM ().

R1

Điện trở của cuộn dây sơ cấp máy biến áp nguồn ().

R2

Điện trở của cuộn dây thứ cấp máy biến áp nguồn ().

S
THD

Công suất biểu kiến (VA).
Hệ số méo dạng sóng hài (%).

TS

Chu kỳ của sóng mang (s).

Ud
uu
Uu
Uudm

Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lƣu dùng thyristor (V).
Giá trị tức thời của điện áp cấp cho phần ứng ĐC (V).
Giá trị hiệu dụng của điện áp cấp cho phần ứng ĐC (V).
Điện áp phần ứng định mức của ĐC (V).

Udo
U2
u2a, u2b, u2c

U2m
Vcj

Điện áp chỉnh lƣu lớn nhất ứng với trƣờng hợp   0o (V).
Giá trị điện áp pha hiệu dụng (V).
Các điện áp pha thứ cấp của máy biến áp nguồn (V).
Giá trị cực đại của điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn (V).
Điện áp sóng mang của pha j ( j  R, Y, B là các pha) (V).

Vd
Vd*
Vdc

Điện áp sai lệch trên hai nửa của thanh dẫn 1 chiều (V).
Điện áp đặt của bộ điều khiển cân bằng điện áp (V).
Điện áp một chiều của bộ chỉnh lƣu PWM (V).

Mcdm

mj


Vdc*

Điện áp đặt của bộ chỉnh lƣu PWM (V).

Vd(dc)

Giá trị trung bình của điện áp sai lệch vd (V).
Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển điện áp chính.

Vm

VPj

Điện áp cực trung bình của pha j trong 1 chu kỳ chuyển
mạch TS (V).

VR

Giá trị trung bình của điện áp pha R của lƣới điện (V).

Vo1, Vo2
vj

Lần lƣợt là điện áp đầu ra trên hai nửa của thanh dẫn một
chiều (V).
Giá trị điện áp tức thời của pha j (V).

Vj

Giá trị trung bình của điện áp pha j ( v j ) (V).

Vm

Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển cân bằng điện áp.

XL

Điện kháng của cuộn dây L trong bộ chỉnh lƣu PWM ().

W1
W2
J


dm

Số vòng dây của cuộn dây sơ cấp máy biến áp nguồn (Vòng).
Số vòng dây của cuộn dây thứ cấp máy biến áp nguồn (Vịng).
Mơ men qn tính quy đổi về trục ĐC (Kg.m2).
Từ thơng kích từ dƣới một cực từ của ĐC (Wb).
Tốc độ góc của ĐC (Rad/s).
Tốc độ góc định mức của ĐC (Rad/s).

o

Tốc độ góc khơng tải lý tƣởng của ĐC (Rad/s).

e

Tần số góc của điện áp lƣới (Rad/s).


o

Góc mở van tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên (Rad).
Góc điều khiển tính từ thời điểm suất điện động xoay chiều



bắt đầu dƣơng (Rad).
Độ cứng của đặc tính cơ ĐC.



Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện đầu vào (Rad).

CÁC CHỮ VIẾT TẮT:
BBĐ_1
BBĐ_2
CLPWM – Đ
CSPWM
ĐC
FX
PWM
SPWM
T–Đ
THD

Bộ biến đổi 1.
Bộ biến đổi 2.
Chỉnh lƣu PWM – Động cơ điện một chiều.
Điều chế độ rộng xung với 1 sóng mang.
Động cơ.
Phát xung.
Điều chế độ rộng xung.
Điều chế độ rộng xung với 3 sóng mang lệch pha nhau 120o.
Truyền động Chỉnh lƣu thyristor – Động cơ điện một chiều.
Hệ số méo dạng sóng hài.

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng
2.1.
3.1.
3.2.

Tên bảng

Trang

Các thông số và các phần tử trong hệ thống chỉnh lƣu PWM
Bảng thông số của ĐC.
Bảng thông số của bộ chỉnh lƣu PWM trong hệ thống
CLPWM – Đ.

27
46
67


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.

1.5.
1.6.
1.7.
1.8.
1.9.
1.10.
1.11.
1.12.
1.13.
1.14.
1.15.
1.16.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.

Tên hình

Trang

Sơ đồ cấu trúc hệ T – Đ.
Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế của chỉnh lƣu tia 3 pha.
Chỉnh lƣu hình tia ba pha: (a) Đặc tính điều chỉnh, (b) Đồ thị
thời gian.
Sơ đồ mơ phỏng mạch chỉnh lƣu hình tia ở chế độ dịng liên
tục trên Matlab.
Đặc tính điện áp và dòng điện của mạch chỉnh lƣu tia 3 pha ở
chế độ dịng liên tục.
Quan hệ giữa góc chuyển mạch µ và góc điều khiển α ứng với

các dịng điện chỉnh lƣu khác nhau.
Kết quả mô phỏng hiện tƣợng chuyển mạch giữa các van của
mạch chỉnh lƣu hình tia trên Matlab.
Kết quả mơ phỏng chế độ dịng điện gián của bộ chỉnh lƣu
hình tia 3 pha.
Đặc tính tốc độ của ĐC ở hệ đơn vị tƣơng đối khi đƣợc cấp
nguồn bởi: (a) Chỉnh lƣu tia ba pha, (b) Chỉnh lƣu cầu 3 pha.
Mô phỏng chế độ nghịch lƣu phụ thuộc của bộ chỉnh lƣu hình
tia 3 pha.
Mạch chỉnh lƣu cầu 3 pha với tải là ĐC điện một chiều: (a) Sơ
đồ đấu dây, (b) Sơ đồ thay thế.
Sơ đồ mô phỏng mạch chỉnh lƣu cầu 3 pha trên Matlab.
Đặc tính điện áp và dòng điện của mạch chỉnh lƣu cầu 3 pha ở
chế độ dịng liên tục.
Kết quả mơ phỏng hiện tƣợng chuyển mạch của các van
(Nhóm van lẻ ) trong mạch chỉnh lƣu hình cầu 3 pha.
Kết quả mơ phỏng chế độ dòng điện gián đoạn trong mạch
chỉnh lƣu cầu 3 pha.
Mô phỏng chế độ nghịch lƣu phụ thuộc ở bộ chỉnh lƣu cầu 3
pha.
Sơ đồ mạch lực của bộ chỉnh lƣu PWM.
(a) Bộ chỉnh lƣu nửa cầu 1 pha và (b) Phƣơng pháp PWM Sin
– Tam giác.
Sơ đồ điều khiển của bộ chỉnh lƣu PWM.
Giản đồ đóng cắt các van của bộ chỉnh lƣu trên cùng một pha.

4
5
6
7

7
8
9
10
12
13
14
15
15
17
17
18
21
21
23
24


Số hiệu
hình
2.5.
2.6.
2.7.
2.8.
2.9.
2.10.

2.11.

2.12.

2.13.
2.14.
2.15.
2.16.
2.17.
2.18.
2.19.
2.20.
2.21.
2.22.

Tên hình
Sơ đồ biến đổi tƣơng đƣơng bên phía một chiều trong pha R
của hệ thống chỉnh lƣu PWM.
Kết quả mô phỏng sự mất cân bằng điện áp trên thanh dẫn một
chiều.
Sơ đồ thay thế tƣơng đƣơng của bộ chỉnh lƣu PWM và đồ thị
pha của các đại lƣợng trong bộ chỉnh lƣu.
Sơ đồ điều khiển điện áp đầu ra của bộ chỉnh lƣu trong miền
thời gian.
Sơ đồ tƣơng đƣơng của bộ điều khiển cân bằng điện áp.
Sơ đồ điều khiển trên miền tần số của bộ điều khiển cân bằng
điện áp.
(a) Sơ đồ điều chế động rộng xung Sin – Tam giác truyền
thống và (b) Sơ đồ điều chế độ rộng xung Sin – Tam giác
đƣợc đề xuất.
Sơ đồ mô phỏng hệ thống chỉnh lƣu PWM sử dụng phƣơng
pháp CSPWM.
Sóng mang và các sóng điều chế của ba pha khi sử dụng
phƣơng pháp CSPWM.

Điện áp một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lƣu PWM khi sử
dụng phƣơng pháp CSPWM.
Dòng điện tải một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lƣu PWM khi
sử dụng phƣơng pháp CSPWM.
Dòng điện xoay chiều ba pha tại đầu vào của bộ chỉnh lƣu
PWM khi sử dụng phƣơng pháp CSPWM.
Hệ số THD của dòng điện tại đầu vào của bộ chỉnh lƣu khi sử
dụng phƣơng pháp CSPWM.
Dịng điện trong dây trung tính khi sử dụng phƣơng pháp
CSPWM.
Giá trị trung bình của dịng điện trong dây trung tính khi sử
dụng phƣơng pháp CSPWM.
Ba sóng mang lệch pha 120o và ba điện áp điều chế của ba pha
khi sử dụng phƣơng pháp SPWM.
Điện áp một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lƣu PWM khi sử
dụng phƣơng pháp SPWM.
Dòng điện tải một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lƣu PWM khi
sử dụng phƣơng pháp SPWM.

Trang
25
27
27
30
31
31

33

34

35
35
35
36
36
36
37
38
39
39


Số hiệu
hình
2.23.
2.24.
2.25.
2.26.
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
3.7.

3.8.

3.9.
3.10.

3.11.

3.12.
3.13.
3.14.

Tên hình
Dịng điện xoay chiều ba pha tại đầu vào của bộ chỉnh lƣu
PWM khi sử dụng phƣơng pháp SPWM.
Hệ số biến dạng sóng hài của dịng điện xoay chiều tại đầu vào
của bộ chỉnh lƣu PWM khi sử dụng phƣơng pháp SPWM.
Dịng điện chạy trong dây trung tính của bộ chỉnh lƣu PWM
khi sử dụng phƣơng pháp SPWM.
Giá trị trung bình của dịng điện trong dây trung tính của bộ
chỉnh lƣu PWM khi sử dụng phƣơng pháp SPWM.
Hình vẽ dạng điện áp, dòng điện và tốc độ của ĐC khi khởi
động ĐC qua 2 cấp điện trở phụ.
Đặc tính dịng điện và tốc độ của ĐC trong trƣờng hợp mở
máy qua điện trở.
Đặc tính cơ của ĐC trong trƣờng hợp mở máy qua điện trở.
Hình vẽ dạng điện áp, dòng điện và tốc độ của ĐC khi khởi
động theo phƣơng pháp thay đổi điện áp phần ứng.
Hình vẽ dạng đặc tính cơ của ĐC trong trƣờng hợp khởi động
theo phƣơng pháp thay đổi điện áp phần ứng.
Sơ đồ mô phỏng các chế độ làm việc của ĐC trong hệ T – Đ.
Đặc tính điều chỉnh góc mở các van bán dẫn khi khởi động
bằng phƣơng pháp thay đổi điện áp phần ứng trong hệ
T – Đ.
Đặc tính điện áp trung bình, dịng điện và tốc độ của ĐC khi

khởi động ĐC bằng phƣơng pháp thay đổi điện áp phần ứng
trong hệ T - Đ.
Đặc tính cơ của ĐC khi khởi động ĐC bằng phƣơng pháp thay
đổi điện áp phần ứng trong hệ T - Đ.
Sơ đồ mô phỏng các chế độ làm việc của ĐC điện một chiều
trong hệ thống CLPWM – Đ.
Đặc tính điện áp, dịng điện và tốc độ của ĐC khi khởi động
bằng phƣơng pháp thay đổi điện áp phần ứng trong hệ thống
CLPWM – Đ.
Đặc tính cơ của ĐC khi khởi động bằng phƣơng pháp thay đổi
điện áp phần ứng trong hệ thống CLPWM – Đ.
(a) Sơ đồ nguyên lý, (b) các đồ thị điện áp, (c, e) dòng điện và
(d) xung mở van của hệ T – Đ không đảo chiều.
Sơ đồ thay thế của hệ T – Đ không đảo chiều.

Trang
39
40
40
40
44
45
45
47
47
51
51

52

52
54

54

55
56
57


Số hiệu
hình
3.15.
3.16.
3.17.
3.18.
3.19.
3.20.
3.21.
3.22.
3.23.
3.24.
3.25.
3.26.
3.27.

3.28.

3.29.
3.30.

3.31.

3.32.

Tên hình
Đặc tính dịng điện và tốc độ của ĐC khi nó làm việc ở trạng
thái ĐC trong hệ thống T – Đ.
Đặc tính cơ của ĐC khi nó làm việc ở trạng thái ĐC trong hệ
T - Đ.
Đặc tính dịng điện và tốc độ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng
thái hãm ngƣợc trong hệ T - Đ.
Đặc tính cơ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm ngƣợc
trong hệ T - Đ.
Đặc tính dịng điện và vận tốc của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng
thái hãm động năng trong hệ T - Đ.
Đặc tính cơ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm động
năng trong hệ T - Đ.
Đặc tính dịng điện và tốc độ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng
thái hãm tái sinh trong hệ T - Đ.
Đặc tính cơ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm tái sinh
trong hệ T - Đ.
Đặc tính cơ của ĐC trong hệ T – Đ không đảo chiều.
Sơ đồ thay thế của hệ thống CLPWM - Đ không đảo chiều.
Đặc tính điện áp, dịng điện và tốc độ của ĐC khi nó làm việc
ở trạng thái ĐC trong hệ thống CLPWM – Đ.
Đặc tính cơ của ĐC khi nó làm việc ở trạng thái ĐC trong hệ
thống CLPWM - Đ.
Đặc tính điện áp và dịng điện của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng
thái hãm tái sinh trong hệ thống CLPWM – Đ.
Đặc tính điện áp, dịng điện và tốc độ của ĐC khi ĐC làm việc

ở trạng thái hãm tái sinh trong hệ thống CLPWM – Đ trong
trƣờng hợp có tính tốn hạn chế dịng hãm.
Đặc tính cơ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm tái sinh
trong hệ thống CLPWM - Đ.
Đặc tính điện áp, dòng điện và tốc độ của ĐC khi ĐC làm việc
ở trạng thái hãm ngƣợc trong hệ thống CLPWM – Đ.
Đặc tính cơ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm ngƣợc
trong hệ thống CLPWM - Đ.
Đặc tính điện áp, dịng điện và tốc độ của ĐC khi ĐC làm
việc ở trạng thái hãm động năng trong hệ thống CLPWM –
Đ.

Trang
59
60
60
61
62
62
64
64
66
67
69
69
70

73

73

74
75

78


Số hiệu
hình
3.33.
3.34.
3.35.
3.36.
3.37.
3.38.
3.39.
3.40.
3.41.
3.42.
3.43.
3.44.
3.45.
3.46.
3.47.
3.48.
3.49.
3.50.
3.51.
3.52.

Tên hình

Đặc tính cơ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm động
năng trong hệ thống CLPWM - Đ.
Sơ đồ hệ T - Đ đảo chiều sử dụng phƣơng pháp điều khiển
riêng.
Mơ hình khâu logic trong hệ T - Đ đảo chiều điều khiển riêng.
Diễn biến quá trình đảo chiều trong hệ T - Đ đảo chiều điều
khiển riêng.
Sơ đồ mơ phỏng q trình đảo chiều ĐC khi đảo chiều bằng
phƣơng pháp điều khiển riêng.
Đặc tính điện áp chỉnh lƣu khi đảo chiều ĐC bằng phƣơng
pháp điều khiển riêng.
Đặc tính điện áp chỉnh lƣu ở thời điểm đảo chiều khi đảo
chiều ĐC bằng phƣơng pháp điều khiển riêng.
Đặc tính tốc độ của ĐC ở thời điểm đảo chiều khi đảo chiều
ĐC bằng phƣơng pháp điều khiển riêng.
Sơ đồ nguyên lý của hệ T – Đ đảo chiều điều khiển chung.
Đặc tính điều khiển của hệ T – Đ đảo chiều điều khiển chung.
Sơ đồ mô phỏng quá trình đảo chiều ĐC bằng phƣơng pháp
điều khiển chung.
Đặc tính điện áp chỉnh lƣu khi đảo chiều ĐC bằng phƣơng
pháp điều khiển chung.
Đặc tính điện áp chỉnh lƣu ở thời điểm đảo chiều khi đảo
chiều ĐC bằng phƣơng pháp điều khiển chung.
Đặc tính tốc độ của ĐC ở thời điểm đảo chiều khi đảo chiều
ĐC bằng phƣơng pháp điều khiển chung.
Sơ đồ nguyên lý quá trình đảo chiều trong hệ CLPWM - Đ
Sơ đồ mơ phỏng q trình đảo chiều ĐC trong hệ thống
CLPWM – Đ.
Đặc tính điện áp chỉnh lƣu khi đảo chiều ĐC trong hệ thống
CLPWM – Đ.

Đặc tính điện áp chỉnh lƣu ở thời điểm đảo chiều trong hệ
thống CLPWM – Đ.
Đặc tính tốc độ của ĐC ở thời điểm đảo chiều trong hệ thống
CLPWM – Đ.
Dạng dịng điện và hệ số biến dạng sóng hài THD của dịng
điện trong hệ T – Đ ứng với góc mở van α = 0o.

Trang
78
80
81
82
83
83
84
84
85
85
86
86
87
87
88
89
89
89
90
93

Số hiệu
hình
3.53.
3.54.
3.55.
3.56.
3.57.
3.58.

Tên hình
Dạng dịng điện và hệ số biến dạng sóng hài THD của dịng
điện trong hệ T – Đ ứng với góc mở van α = 60o.
Dạng dịng điện và hệ số biến dạng sóng hài THD của dịng
điện trong hệ T – Đ ứng với góc mở van α = 90o.
Dạng dòng điện và hệ số biến dạng sóng hài THD của dịng
điện trong hệ thống CLPWM – Đ.
Chất lƣợng điện áp một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lƣu cầu 3
pha ứng với góc mở van α = 0o trong hệ T – Đ.
Chất lƣợng điện áp một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lƣu cầu 3
pha ứng với góc mở van α = 80o trong hệ T – Đ.
Chất lƣợng điện áp một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lƣu
PWM trong hệ thống CLPWM – Đ (Khi đƣợc phóng lớn).

Trang
93
94
95
96
96
96

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các quá trình
sản xuất phức tạp đƣợc thực hiện một cách linh hoạt và chính xác. Do đó, chất lƣợng
của các hệ thống truyền động điện cũng cần phải đƣợc nâng cao để có thể đáp ứng
đƣợc các q trình sản xuất phức tạp đó.
Các hệ truyền động hiện nay chủ yếu là sử dụng ĐC xoay chiều kết hợp với thiết
bị biến tần với các phƣơng pháp điều khiển nhƣ điều khiển v c tơ vịng kín, điều khiển
V/F... có thể cho ph p điều chỉnh tốc độ ĐC xoay chiều với chất lƣợng dòng áp khá
tốt, phạm vi điều chỉnh đƣợc mở rộng, tạo đƣợc đặc tính tốc độ gần giống đặc tính tốc
độ trong hệ thống điều tốc hai mạch vòng điều khiển ĐC điện một chiều. Tuy nhiên,
chất lƣợng động của hệ thì vẫn khơng thể bằng đƣợc hệ thống điều tốc hai mạch vòng
điều khiển tốc độ ĐC điện một chiều.
Với ƣu điểm vƣợt trội là có thể điều chỉnh tốc độ trong phạm vi điều chỉnh rộng,
trơn mƣợt hơn so với ĐC điện xoay chiều. Do đó, ĐC điện một chiều vẫn cịn đƣợc sử
dụng nhiều ở những nơi cần đƣợc điều chỉnh tốc độ có độ chính xác cao và trơn nhƣ
máy dệt, máy in, robot...
Trong quá trình điều khiển ĐC điện một chiều thì có nhiều phƣơng pháp khác
nhau. Mỗi phƣơng pháp có những ƣu điểm và nhƣợc điểm nhƣng mục đích chung là
phƣơng pháp phải đơn giản, ổn định,… và có hiệu quả cao. Trƣớc đây, tùy vào yêu
cầu điều chỉnh tốc độ ĐC mà ngƣời ta sử dụng các hệ truyền động Máy phát – ĐC hay
hệ Khuếch đại máy điện – ĐC,... Sau này, khi công nghệ bán dẫn phát triển mạnh, việc
điều khiển ĐC điện một chiều đƣợc thực hiện thông qua các bộ biến đổi dùng thyristor
(bộ băm áp, bộ chỉnh lƣu hình tia ba pha, chỉnh lƣu hình cầu 3 pha). Tuy nhiên, các bộ
biến đổi dùng thyristor truyền thống này có những nhƣợc điểm lớn nhƣ: Làm biến
dạng dòng điện xoay chiều đầu vào; Dòng đầu vào chứa nhiều sóng hài điều hịa bậc

cao; Sự nhấp nhô đỉnh – đỉnh của điện áp đầu ra cao; Chỉ cho dòng điện chạy theo một
chiều dẫn đến khó khăn trong việc trả đƣợc năng lƣợng dƣ thừa của ĐC điện một
chiều về phía xoay chiều khi năng lƣợng bên phía một chiều dƣ thừa; Sự nhấp nhơ
đỉnh – đỉnh của điện áp đầu ra cao; Tồn tại trạng thái dòng điện gián đoạn.
Phƣơng pháp chỉnh lƣu PWM mà tác giả trình bày có thể khắc phục đƣợc những
nhƣợc điểm của các bộ chỉnh lƣu, bộ biến đổi truyền thống nói trên nhƣ: Chứa ít sóng
hài điều hịa bậc cao trên lƣới tại đầu vào của bộ chỉnh lƣu; Khơng làm biến dạng dịng
điện xoay chiều đầu vào của bộ chỉnh lƣu; Sự nhấp nhô đỉnh – đỉnh của điện áp đầu ra
thấp; Bộ chỉnh lƣu PWM có thể trao đổi năng lƣợng giữa tải và lƣới theo 2 chiều mà
không cần bất kỳ bộ biến đổi hỗ trợ nào khác; Khơng tồn tại trạng thái dịng điện gián
đoạn.


2
Vì vậy tác giả đã chọn đề tài : “Nghiên cứu các chế độ làm việc của hệ thống
chỉnh lƣu PWM – Động cơ điện một chiều kích từ độc lập” để làm đề tài nghiên
cứu. Trong luận án của mình, tác giả sẽ trình bày các chế độ hoạt động của hệ truyền
động điện Chỉnh lƣu thyristor – ĐC điện một chiều (T – Đ) truyền thống và hệ thống
sử dụng chỉnh lƣu PWM. Từ đó sẽ tiến hành so sánh và chỉ ra những ƣu điểm của
chỉnh lƣu PWM so với chỉnh lƣu sử dụng thyristor truyền thống.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Luận văn sẽ chứng minh hệ thống chỉnh lƣu PWM có thể khắc phục đƣợc những
nhƣợc điểm của các bộ chỉnh lƣu hoặc biến đổi truyền thống cịn tồn tại nhƣ: Lƣợng
sóng hài điều hịa bậc cao trả về lƣới thấp; Khơng làm biến dạng dịng điện xoay chiều
đầu vào; Có thể trao đổi năng lƣợng giữa tải và lƣới theo 2 chiều; Chất lƣợng điện áp
một chiều ở đầu ra cao; Không tồn tại trạng thái dịng điện gián đoạn. Hay nói cách
khác, luận văn sẽ xây dựng một hệ thống CLPWM - Đ có nhiều ƣu điểm hơn so với hệ
T - Đ truyền thống nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển ĐC điện một chiều. Điều này
sẽ đƣợc kiểm chứng thông qua việc phân tích các kết quả mơ phỏng các chế độ làm
việc của ĐC trong hệ T – Đ và hệ thống CLPWM – Đ.

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu: ĐC điện một chiều kích từ độc lập và hệ thống chỉnh lƣu
PWM.
- Phạm vi nghiên cứu:
 Phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ ĐC bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần
ứng của ĐC điện một chiều kích từ độc lập.
 Phƣơng pháp chỉnh lƣu PWM.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Để phục vụ cho việc nghiên cứu đề tài, tác giả sử dụng một phƣơng pháp nghiên
cứu hiệu quả đƣợc nhiều nhà khoa học trong và ngồi nƣớc sử dụng đó là phƣơng
pháp mơ hình hóa hệ thống. Đây là phƣơng pháp nghiên cứu các đối tƣợng bằng cách
xây dựng mơ hình gần giống với đối tƣợng, tái hiện lại đối tƣợng theo các cơ cấu, chức
năng của đối tƣợng.
Trong luận văn sẽ sử dụng công cụ Matlab – Simulink để mơ hình hóa đối tƣợng
và bộ điều khiển. Đây là công cụ khá đắc lực phục vụ cho nghiên cứu khoa học và kỹ
thuật, có khả năng ứng dụng đƣợc cho việc mơ hình hóa, mô phỏng hệ thống truyền
động điện.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài nghiên cứu thành cơng sẽ góp phần kiểm chứng và phát triển phƣơng pháp
chỉnh lƣu PWM cung cấp nguồn cho các tải một chiều nói chung và ĐC điện một
chiều kích từ độc lập nói riêng. Đây là một phƣơng pháp chỉnh lƣu có thể khắc phục
đƣợc những nhƣợc điểm mà các bộ chỉnh lƣu, bộ biến đổi dùng thyristor truyền thống
chƣa làm đƣợc.


3
Đây sẽ là cơ sở để xây dựng các hệ thống nguồn một chiều cấp cho ĐC điện một
chiều có chất lƣợng cao, thõa mãn các tiêu chí về tính chính xác, giảm đáng kể các
sóng hài điều hịa bậc cao trên lƣới, chất lƣợng điện áp một chiều ở đầu ra của bộ
chỉnh lƣu cao, có thể trả đƣợc năng lƣợng dƣ thừa về lƣới một cách dễ dàng và hiệu

quả, khơng tồn tại vùng dịng điện gián đoạn trong đặc tính cơ của ĐC.
6. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, nội dung của đề tài đƣợc tổ chức thành 3
chƣơng. Bố cục nội dung chính của luận văn nhƣ sau:
Chương 1 - Khái quát về hệ truyền động Chỉnh lưu thyristor – ĐC điện một
chiều
Chƣơng này trình bày tổng quan về hệ thống truyền động sử dụng ĐC điện một
chiều đƣợc cấp nguồn từ các bộ chỉnh lƣu dùng thyristor (Chỉnh lƣu hình tia ba pha và
Chỉnh lƣu cầu ba pha). Trong đó, tác giả đi vào phân tích và mơ phỏng các chế độ làm
việc khác nhau của các bộ chỉnh lƣu dùng thyristor này với tải là ĐC điện một chiều
đƣợc thay thế bằng 3 phần tử R – L – E trên Matlab để có thể thấy đƣợc những nhƣợc
điểm của hệ truyền động Chỉnh lƣu thyristor – ĐC điện một chiều. Từ đó, làm cơ sở để
tiến tới chọn một loại chỉnh lƣu khác có ƣu điểm hơn.
Chương 2 - Hệ thống chỉnh lưu PWM
Chƣơng này tác giả giới thiệu, phân tích, xây dựng sơ đồ điều khiển cho hệ thống
chỉnh lƣu PWM. Sau khi xây dựng đƣợc hệ thống chỉnh lƣu PWM, tác giả tiến hành
khảo sát hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink. Các kết quả sẽ cho thấy rằng, hệ
thống chỉnh lƣu PWM có chất lƣợng điện áp một chiều ở đầu ra rất bằng phẳng;
Lƣợng sóng hài trả về lƣới ít; Khơng làm biến dạng dòng điện xoay chiều trƣớc bộ
chỉnh lƣu. Bên cạnh đó, tác giả cũng phân tích và ứng dụng phƣơng pháp điều chế độ
rộng xung với 3 sóng mang lệch pha nhau 120o vào hệ thống chỉnh lƣu PWM nhằm
giảm đáng kể độ lớn của dòng điện trong dây trung tính của bộ chỉnh lƣu.
Chương 3 - Các chế độ làm việc của ĐC điện một chiều kích từ độc lập trong
hệ T – Đ và hệ thống CLPWM – Đ
Đây là chƣơng trọng tâm của luận văn. Trong chƣơng này tác giả sẽ phân tích,
dẫn giải, so sánh 2 hệ truyền động: Hệ truyền động Chỉnh lƣu thyristor – ĐC điện một
chiều (T - Đ) và hệ thống Chỉnh lƣu PWM – ĐC điện một chiều (CLPWM - Đ) ở các
chế độ hoạt động khác nhau của ĐC. Dựa trên kết quả mô phỏng của cả 2 hệ truyền
động trên Matlab – Simulink, tác giả sẽ chứng minh hệ thống CLPWM – Đ có thể
khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm của hệ T – Đ truyền thống nhƣ: Khơng làm biến dạng

dịng điện xoay chiều đầu vào; Lƣợng sóng hài trả về lƣới thấp; Có thể trao đổi năng
lƣợng giữa tải và lƣới theo 2 chiều; Chất lƣợng điện áp một chiều ở đầu ra cao. Thêm
vào đó, các kết quả mơ phỏng cũng cho thấy đặc tính cơ của ĐC ở các chế độ làm việc
khác nhau trong hệ thống CLPWM – Đ khơng có vùng dịng điện gián đoạn nhƣ trong
hệ T – Đ.


4

CHƢƠNG 1
KHÁI QUÁT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƢU THYRISTOR –
ĐC ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1. CÁC MẠCH CHỈNH LƢU THƢỜNG DÙNG TRONG HỆ T – Đ
Ngày nay, với ƣu điểm của phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ ĐC một chiều bằng
cách thay đổi giá trị điện áp đặt vào phần ứng của ĐC, cùng với sự phát triển mạnh mẽ
của công nghệ bán dẫn, hệ truyền động T – Đ ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi.

L

+
Đ
Udk

CKT

-

Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc hệ T – Đ.
Trong thực tế, dựa vào sơ đồ mạch hoặc số pha mà các mạch chỉnh lƣu đƣợc
phân loại nhƣ sau:

- Dựa vào số pha: 1 pha, 2 pha, 3 pha.
- Dựa vào sơ đồ đấu nối: Hình tia, hình cầu, đối xứng…
- Dựa vào số nhịp: Số xung áp đập mạch trong khoảng thời gian một chu kỳ điện
áp nguồn.
- Dựa vào chế độ năng lƣợng: Chỉnh lƣu, nghịch lƣu phụ thuộc.
Chế độ làm việc của bộ chỉnh lƣu sẽ phụ thuộc vào phƣơng thức điều khiển và
vào tính chất của tải. Trong truyền động điện, tải của bộ chỉnh lƣu có thể là là mạch
kích từ hoặc là mạch phần ứng của của ĐC. Ở đây, ta dùng bộ chỉnh lƣu để cấp nguồn
cho mạch phần ứng của ĐC. Trong truyền động cơng nghiệp có sử dụng ĐC điện một
chiều, ngƣời ta thƣờng dùng chỉnh lƣu 3 pha mắc theo sơ đồ hình tia hoặc hình cầu để
cấp nguồn cho ĐC điện một chiều.
1.1.1. Chỉnh lƣu hình tia 3 pha
Hình 1.2 là sơ đồ chỉnh lƣu 3 pha mắc theo sơ đồ hình tia cấp nguồn cho tải là
ĐC điện một chiều, cái mà đƣợc thay thế bằng 3 phần tử R – L – E. Trong đó, E là
suất điện động của ĐC; u2a, u2b, u2c là điện áp thứ cấp của máy biến áp nguồn; Lu, Lk là
điện cảm mạch một chiều và điện cảm tản của dây quấn thứ cấp máy biến áp.
Điện trở mạch một chiều R đƣợc xác định:
R = RBA + Ru
Trong đó, RBA = R2 + R1(W2/W1)2


5
Điện cảm mạch một chiều L đƣợc xác định: L = Lu + Lk + LBA
Trong đó, LBA = L2 + L1(W2/W1)2.
Với LBA là điện cảm của máy biến áp nguồn, L2 là điện cảm của cuộn dây thứ cấp
máy biến áp, L1 điện cảm của cuộn dây sơ cấp máy biến áp, W2 là số vòng dây của
cuộn dây thứ cấp máy biến áp nguồn. W1 là số vòng dây của cuộn dây sơ cấp máy biến
áp, RBA là điện trở của máy biến áp, R2 điện trở của cuộn dây thứ cấp máy biến áp, R1
là điện trở của cuộn dây sơ cấp máy biến áp nguồn.
a

b

c
U2a

~

U2b

~

E

U2c

~

BA
U2b

U2c

T1

T2

T3

Ed

Đ

KT

U2a

T1

T2

T3

L

R

KL
id

Hình 1.2. Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế của chỉnh lƣu tia 3 pha.
1.1.1.1. Chế độ dòng liên tục
Khi dịng điện chỉnh lƣu id là liên tục thì có thể dựng đƣợc đồ thị dòng điện và
điện áp của hệ nhƣ Hình 1.3. Suất điện động chỉnh lƣu là những đoạn hình sin nối tiếp
nhau, giá trị trung bình của suất điện động chỉnh lƣu đƣợc tính nhƣ cơng thức (1.1) [3]:

m
Ed  Ud 
2

 2 /m



U 2m sin d  E do cos 

(1.1)



Trong đó,
  e t

 
  o  (  )
2 m
m

E do  sin U 2m

m
e - Tần số góc của điện áp lƣới;

 - Góc mở van tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên;
 o - Góc điều khiển tính từ thời điểm suất điện động xoay chiều bắt đầu dƣơng;
m – Số xung đập mạch tính trong một chu kỳ điện áp lƣới (tia 3 pha m = 3).
Phƣơng trình vi phân mơ tả mạch thay thế trên Hình 1.2 [3].
di
U 2m sin(  o )  E  Rid  L d
dt
Trong đó, U2m là giá trị cực đại của điện áp thứ cấp máy biến áp, E là suất điện

động của ĐC.


6
Với sơ kiện khi   o thì id = io có nghiệm sau:



id   Rio  E  U 2m cos  sin(o  )  e (o )cotg 
  E  U 2m cos  sin(  ) 
Trong đó,   arctg

(1.2)

e L
R
u

u2a

u2b

u2c

Ed
E

0

Ed

E do

et



2
m



i
0


2

id



io

 0

u 2m
E

2
R

iu

(a )

et

(b )

Hình 1.3. Chỉnh lƣu hình tia ba pha:
(a) Đặc tính điều chỉnh,
(b) Đồ thị thời gian.
Nếu gọi góc dẫn của van là  thì có thể tính đƣợc thành phần một chiều của dịng
điện chỉnh lƣu, chính là thành phần tạo ra mô men quay của ĐC [3]:


I

m
m 

  
i
d


U
sin
sin(



) E
d
2m
o
2 0
2R 
2
2 2 

(1.3)

Còn giá trị trung bình của dịng điện chỉnh lƣu thì đƣợc tính bởi biểu thức đơn
giản hơn [3]:
E cos   E
Id  do
(1.4)
R  o L
Sử dụng phần mềm mô phỏng MATLAB Simulink để mơ phỏng cho chế độ
dịng điện liên tục của mạch chỉnh lƣu hình tia hình tia 3 pha có tải là ĐC điện một
chiều đƣợc thay thế bằng 3 phần từ R – L – E với các thông số của hệ thống: U2 =
220V,   30o , E = 100V, R = 2.5  , L = 0.01H, ta có đƣợc sơ đồ mơ phỏng trên
Matlab nhƣ Hình 1.4. Các kết quả mơ phỏng đặc tính điện áp và dịng điện của hệ
thống ở chế độ dịng điện liên tục đƣợc thể hiện trong Hình 1.4 và Hình 1.5.


7

Hình 1.4. Sơ đồ mơ phỏng mạch chỉnh lƣu hình tia ở chế độ dòng liên tục trên Matlab.
Tia 3 Pha - Che Do Dong Dien Lien Tuc

400
300

u (V), i (A)

200
100
0

ua

-100

uc

-200

ub

-300

Ed

-400
0.1

id
0.102

0.104

0.106

0.108

0.11
Time (s)

0.112

0.114

0.116

0.118

0.12

Hình 1.5. Đặc tính điện áp và dịng điện của mạch chỉnh lƣu tia 3 pha ở chế độ dòng
liên tục.
1.1.1.2. Hiện tượng chuyển mạch
Trong sơ đồ chỉnh lƣu hình tia 3 pha, khi phát xung để mở một van T thì điện áp
anốt của pha đó phải dƣơng hơn điện áp của pha đang dẫn dịng. Do đó, dịng điện của
pha có van đang dẫn sẽ giảm dần về 0, còn dòng điện của van dẫn kế tiếp sẽ tăng dần
lên. Do có điện cảm trong mạch nguồn, dịng điện khơng tăng đột ngột mà hiện tƣợng
này diễn ra từ từ, cũng tại một thời điểm có cả 2 van đều dẫn dịng và chuyển dịng cho
nhau. Đó chính là q trình chuyển mạch giữa các van.
Trong q trình chuyển mạch, do cả 2 pha đều dẫn nên suất điện động chỉnh lƣu
sẽ bằng trung bình cộng điện áp 2 pha. Phƣơng trình cân bằng điện áp cho các pha lúc

chuyển mạch là phƣơng trình (1.5) và phƣơng trình (1.6) [3].


8

di1
 Ed
dt
di
U 2b  Lk 2  Ed
dt
Chú ý rằng i1 + i2 = id và nếu coi: di1/dt = - di2/dt thì:

U
sin
2m
di 2 U 2b  U 2a
m sin 


dt
2Lk
Lk
U 2a  Lk

(1.5)
(1.6)

Thời điểm bắt đầu xảy ra chuyển mạch là tại  = α. Giải phƣơng trình trên ta
đƣợc biểu thức tính dịng điện qua van [3]:

i2  Imk (cos   cos )
Trong đó, Imk 

U 2m sin
e Lk


m

Quá trình chuyển mạch sẽ kết thúc khi i1 = 0 và i2 = id . Nếu trong (1.3) ta đặt i2 =
id tại      thì ta có thể xác định đƣợc góc chuyển mạch  :

  arccos(cos  

Id
)
Imk
I d / I m 2   0.50

/3

 0.40

5  / 18

 0.30

2 / 9

 0.20

/6



 0.10

/9

 0.0

 / 18
0


9

2
9

4
9




3

5
9

2
3

7
9

8
9



Hình 1.6. Quan hệ giữa góc chuyển mạch µ và góc điều khiển α ứng với các dòng điện
chỉnh lƣu khác nhau [3].
I
Trong thực tế vận hành, ít khi dịng điện chỉnh lƣu vƣợt q giá trị d  0.1 , do
I mk
đó có thể nói rằng trong chỉnh lƣu hình tia 3 pha, góc chuyển mạch cực đại là  / 6 .
Do có chuyển mạch nên suất điện động chỉnh lƣu bị sụt đi. Giá trị trung bình của sụt
áp do chuyển mạch đƣợc xác định nhƣ sau [3]:
mLk e
U k 
Id  X k Id
2