đồ án MẠCH CHỈNH lưu cầu một PHA

Đồ án môn học Điện tử công suất

Trang 1

Phần một:
TỔNG QUAN MẠCH CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA
1.Sơ đồ:
M
T1

U1

T2

+

E

R

U2
T4

L
T3

N

Chỉnh lưu cầu một pha.

2.Nguyên lý hoạt động:

Trong sơ đồ có 4 Tiristor đựơc điều khiển bằng các xung dòng tương ứng it1, it2, it3, it4.
Mạch chỉnh lưu dược cung cấp một điện áp xoay chiều qua máy biến áp với điện áp
U2 = U2msin ωt (v).
Các xung điều khiển này có cùng chu kỳ với u2 nhưng xuất hiện sau u2.
Các xung it1 và it3 xuất hiện sau u2 một góc α.
Các xung it2 và it4 xuất hiện sau u2 một góc π +α.
Các Trisisto này sẽ tự động khoá lại khi u2 =0.
Phụ tải được biểu diễn bằng một sức phản điện động E, điện trở R và điện cảm L.
Ta chỉ xét mạch này khi L rất lớn và E nhỏ hơn giá trị trung bình của điện áp chỉnh
lưu. Trong trường hợp này, mạch làm việc ở chế độ cung cấp liên tục, dịng qua phụ
tải hầu như khơng đổi và bằng giá trị trung bình của nó Id.
Tương ứng với góc mở ta có hai chế độ làm việc của mạch chỉnh lưu là:
- Khi α < π /2 và E < 0 mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu.
- Khi α > π /2 và E > 0 mạch làm việc chế độ nghịch lưu phụ thuộc.
Ta chỉ xét trường hợp mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu với góc điều khiển α < π /2
và E > 0.
*.Hoạt động:
Trong nửa chu kỳ đầu của điện áp chỉnh lưu (0 < ωt < π), U2 > 0, các Tiristor T1 và T3
phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở.
Tại thời điểm α = θ1 = ωt1 ta cho xung điều khiển mở T1 và T3 : Ud = U2.
Dòng điện đi từ A qua T1 đến tải rồi qua T3 về B.
Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) Ud = U2 = U2msin ωt (v).
Khi T1 và T3 mở cho dòng chảy qua ta có phương trình để xát định dịng điện qua tải:
Ldi/dt + R.id + E = U2 = U2msin ωt (v).
Tại lúc góc pha bằng π, U2 = 0 nhưng T1 và T3 vẫn chưa bị khóa vì dòng qua chúng
vẫn còn lớn hơn 0.
Trong nửa chu kỳ sau của điện áp chỉnh lưu (π < ωt< 2π), U 2 < 0 , các Tiristor T2 và
T4 phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở.
Tại thời điểm θ = θ2= ωt2 = π + α ta cho xung điều khiển mở T2 và T4 : Ud = -U2.
Dòng điện đi từ B qua T2 đến tải rồi qua T4 về A.

Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) Ud = -U2 = -U2msin ωt (v).
GVHD Đoàn Quang Vinh

SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2


Đồ án môn học Điện tử công suất

Trang 2

Sự mở T2 và T4 làm cho UN = UB v à UM = UA . Do đó điện áp trên T1 và T3 là:
UT1 = UA – UM = UA - UB = U1 < 0.
UT3 = UN – UB = UA - UB = U2 < 0.
Do đó làm cho T1 và T3 tắt một cách tự nhiên.
3. Biểu thức xác định dịng và áp:
Do điện cảm có giá tri rất lớn nên dòng qua tải id là dòng liên tục, id = Id.
Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:
1
Ud =


 +

U


2m

sin .t.d .t =

2
U 2 mcos 


Do α < π /2 nên Ud luôn dương.
Hay:
Ud = R.Id + E.
Giá trị trung bình dịng qua tải ( dịng chỉnh lưu):
Id =

Ud − E
R

4. Dạng đường cong điện áp và dịng chỉnh lưu:
Ud

Ud
π

θ1

π+α
θ2

α

2π

2π

π
θ

IT1,3

θ

IT1,3
Id

Id
θ

IT2,4
Id

θ

IT2,4
Id

θ

i2

θ

id
Id

θ

θ
id
Id

θ
Chỉnh lưu

GVHD Đồn Quang Vinh

θ
Nghịch lưu phụ thuộc

SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2


Đồ án môn học Điện tử công suất

Trang 3

5. Hiện tượng trùng dẫn:
Thực tế khi xét đến điện cảm Lc ( trên cuộn dây thứ cấp MBA), ta có thể biểu diễn
mạch như sau:
M
T1

+
1 E

T2

Lc

1
R

eL
1
T4

T3

L

N

Do có điện cảm Lc, nên tại góc α, khi ta cho xung điều khiển mở T2 và T4 dòng điện
qua T1 và T3 l à it1, it3 không thể giảm đột ngột từ Id xuống 0, và dịng qua T2 và T4
cũng khơng thể tăng đột ngột từ 0 đến Id . Hiện tượng mở đồng thời cả bốn Tiristor
như vậy gọi là hiện tượng trùng dẫn.
Lúc này cả 4 Tiristor đều mở cho dòng chảy qua, phụ tải bị ngắn mạch, Ud = 0, nguồn
e2 cũng bị ngắn mạch sinh ra dòng ngắn mạch ic.
Ta có phương trình:

X c .dic
d .
2U 2 m 
2U 2 m
cos − cos 

 is =
sin  .d . =

X2 
X2

2U 2 sin  . =

- Hiện tượng trùng dẫn làm cho điện thế tại hai điển M và N bằng nhau và dòng chỉnh
lưu id = 0
- Hiện tượng trùng dẫn bắt dầu từ góc α và kéo dài đến khi iT1,3 giảm đến 0 tại π+α
Đặt ic = ic1+ic2 với ic1 = ic2 = ic/2
ic1 làm tăng dòng trong T4 và làm giảm dòng trong T3
ic2 làm tăng dòng trong T2 và làm giảm dòng trong T1
2U 2
cos  − cos( +  )
2X c
= I d cos  − cos( +  ) (A)

iT 2, 4 =
iT 1,3

Khi kết thúc giai đoạn trùng dẫn, tức là khi θ=μ, iT1,3 = 0, phương trình chuyển mạch
có dạng:

cos  − cos( +  ) =

2X c Id
2U 2

(1)

Xát định sụt ápchỉnh lưu trung bình ΔUμ do hiện tượng trùng dẫn gây ra:
U =

1





2 sin ( +  ).d =

0

GVHD Đoàn Quang Vinh

2U 2



cos − cos( +  )

(2)

SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2


Đồ án môn học Điện tử công suất

Trang 4

Thay (2) vào phương trình (2) ta có được:

 =

2X 2Id


Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu khi kể đến hiện tượng trùng dẫn:
U’d = Ud – Δuμ
= Ud −

2X 2Id



2 2U 2

cos 

Dạng đường cong dòng và áp khi trùng dẫn:

Trong đó:

Ud =

Ud

θ1

θ2

2π
θ

μ

Id
id
iT1
iT2

θ

GVHD Đồn Quang Vinh

SVTH Đinh Tấn Tồn Lớp 01D2


Đồ án mơn học Điện tử cơng suất

Trang 5

Phần hai:
TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC.
Tính chọn mạch động lực dùng trong sơ đồ với các thông số:
Điện áp một chiều của động cơ: Eưđm = 110 VDC
Dòng điện định mức:
Iưđm = 2.35 A

Công suất động cơ:
Pđm = 160W
Hệ số dự trữ dòng điện ( chọn) : Ku= 1,6.
Hệ số dự trữ điện áp ( chọn) : Ki=1,3. ( Ki = 1,1 1,6).

T1

T2

Z

U2

220V

T4

T3

Mạch động lực

1Tính chọn bộ biến đổi:
1. Xát định điện áp chỉnh lưu không tải:
Bộ biến đổi điện áp chỉnh lưu Thysisto cần có giá trị điện áp khơng tải đảm bảo
cung cấp cho phần ứng của động cơ một chiều hoạt động.
a. Điện áp chỉnh lưu không tải được tính như sau:
Udo = (Udm + 4%Udm + 1,5%Udm + 0,8%Udm + ∆Urt) (1)
Trong đó:
Udm : điện áp chỉnh lưu cực đại. Udm = Eưdm = 110 V
4%Udm : sụt áp trên điện trở MBA.

1,5%Udm : sụt áp trên điện kháng MBA.
∆Urt : sụt áp trên 2 Tiristor nối tiếp ∆Ur  2 V.
Thay các trị số vào phương trình (1) ta được:
Ud = (110 + 0,04.110 + 0,015.10 + 0,08.110 + 2) = 118,93 V
Vậy điện áp chỉnh lưu không tải Ud = 118,93 V.
b.Giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp MBA.
Ta có:

Ud =

với α = 0.
Suy ra

U2 =

2U 2


 .U d
2 2

cos 

=

 .118,93
2 2

= 132,1V

Do đó tỉ số MBA là: m = U2/U1= 132,1/220 = 0,6
d. Điện áp ngược lớn nhất mỗi Tiristor phải chịu:
GVHD Đoàn Quang Vinh

SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2


Đồ án môn học Điện tử công suất

Trang 6

U im = 2U 2 = 2.132,1 = 186,8V

2. Xát định dòng chỉnh lưu và dòng trong mỗi pha của MBA :
a. Dịng chỉnh lưu trung bình:
Dịng điện chỉnh lưu trung bình cũng chính là dịng trong phần ứng của động cơ
điện:
Id = Iư = 2,35 A
b. Dịngđiện chỉnh lưu trung bình chảy trong mỗi Tiristor:
Io = Id/2 = 2,35/2 = 1,175 A
c. Giá trị hiệu dụng của dòng điện chảy trong pha thứ cấp MBA:
I2 = Id = 2,35 A
d. Giá trị hiệu dụng của dòng điện chảy trong pha sơ cấp MBA:
I1 = mI2 = 0,6.2,35 = 1,41 A
2.Chọn Tiristor:
Dựa vào các thông số:
Hệ số dự trữ điện áp : Ku = 1,6.
Hệ số dự trữ dòng điện: Ki = 1,3.
Yêu cầu về mặt kỹ thuật các Tiristor phải chịu được :
Điện áp ngược lớn nhất : Ung = Ku.Uim =1,6.186,8 = 299 V

Dịng điện trung bình Itb = Ki.I0 = 1,3.1,175 = 1,5275 A
Theo bảng I.3 ĐTCS ta chọn loại Tiristor có các thơng số sau:
Mã hiệu
KY(2Y)-201KЛ

Itb
(A)
2

Uim
(KV)
0,3

ΔU
(V)
2

toff
(μs)
35

Ig
(A)
0,35

Ug
(V)
5,3

di/dt

du/dt
(A /μs) (μs/μs)
40
50

3. Tính chọn máy biến áp:
a. Mạch từ:
- Cơng suất biểu kiến của MBA:
S = U.I = 132,1.2,35 = 310,4 W.
MBA một pha, ta chọn mạch từ 1 trụ: c = 1, tần số : f = 50Hz.
-Tiết diện trụ tính tốn theo cơng thức kinh nghiệm:
Q=k

S
c. f

Máy biến áp khơ nên k = 6.
Do đó:

Q=6

310,4
= 14,95cm 2
1.50

Dựa vào bảng “ Máy biến áp cơng suất nhỏ” ta chọn MBA có công suất 390 W 50Hz Với các thông số sau:
_ Bề dày lá thép:
0,35 mm
_ Chiều dài trung bình đường sức: 27,4 cm
_ Thể tích thép từ:

510cm2
_ Trọng lượng thép từ:
4040g = 4,04 kg
_ Số lượng lá thép:
160 lá.

GVHD Đoàn Quang Vinh

SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2


Đồ án môn học Điện tử công suất

Trang 7

Mạch từ có dạng như hình vẽ với các kích thước như sau:
a(mm) h(mm)
32
80

c(mm)
32

C(mm)
128

H(mm) B(mm)
112
64

C
c
c

a

a/2

H h

các kích thước cơ bản

B

tiết diện trụ

Trụ :
_Tiết diện thô = cxB = 3,2.6,4 = 20,48 cm2.
_ Tiết diện hiệu quả = 0,95.20,48 = 19,5 cm
_ Trọng lượng trụ = 7,5.0,195.1,2 = 1,75 kg
Quy lat ( Quylass):
_ Tiết diện thô = axB = 3,2.6,4 = 20,48 cm2.
_ Tiết diện hiệu quả = 0,95.20,48 = 19,5 cm
_ Trọng lượng trụ = 7,5.0,195.1,6 = 2,3 kg
Từ cảm:
_Trong các trụ chọn Bm= 1,1 T
_Trong các quy lat chọn B’m = 1,1.19,5/19,5 =1.1 T
b. Chọn dây quấn:
-Số vòng dây mỗi pha:
+ Sơ cấp: n1 =

U1
220
=
= 462 vòng
4,44. f .Q.Bm 4,44.50.19,5.1,1.10 −4

+ Thứ cấp: n2 =

U2
132,1
=
= 278 vòng
4,44. f .Q.Bm 4,44.50.19,5.1,1.10 −4

Chọn mật độ dòng điện: J1 = J2 = 2,75 A/mm2.
Đường kính phía dây quấn sơ cấp:
d1 =

4S1

=

4I1
4.1,41
=
= 0,8mm
 .J 1
3,14.2,75


Đường kính phía dây quấn thứ cấp:

GVHD Đồn Quang Vinh

SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2


Đồ án môn học Điện tử công suất

d2 =

4S 2



=

Trang 8

4I 2
4.2,35
=
= 1,04mm
 .J 2
3,14.2,75

Chọn dây:
Dựa vào bảng II.3_(tr 82-ĐTCS) thơng số dây dẫn tiết diện trịn, ta chọn dây dẫn
sơ cấp và thứ cấp MBA có các thơng số như sau:

d1 = 0,8 mm; S1 = 0,5027 mm2; 4,47 g/m; ρ1 = 0,0342 Ω/m
d2 = 1,04 mm; S2 = 0,8495 mm2; 7,55 g/m; ρ2 = 0,0202 Ω/m
Ống dây quấn:
Bán kính ống dây: r =

32 2 + 64 2
= 36mm
4

Vậy ta lồng vào trụ một ống làm bằng vật liệu cách điện dày 2mm.Vậy bán kính
trong dây quấn của trụ là: 36 + 2 = 38 mm
+Dây quấn sơ cấp:
- Dây quấn sơ cấp gồm 462 vòng.
Để đảm bảo cách điện ta chia dây quấn sơ cấp làm 8 lớp: ( 7 x 60 + 42 vòng).
- Giữa hai lớp ta đặt một lớp giấy cách điện dày 0,1 mm bằng bìa.
- Bề dày dây quấn sơ cấp:
e1 = d1.n + 0,1.7 = 0,8.8 + 0,7 = 7,1 mm.
- Bán kính trung bình của dây quấn sơ cấp:
r1tb = 38 + 7,1/2 = 41,55 mm
- Chiều dài dây quấn sơ cấp:
l1 = 2Π.r1tb.10-3.n1 = 2.3,14. 41,55.10-3.462 = 120,6 m
- Điện trở của dây quấn ở 75oC:
R1 = ρ1.l1(1+0,004. 75) = 0,0342.120,6.(1+0,004.75) = 3,16Ω
+Dây quấn thứ cấp:
- Dây quấn thứ cấp gồm 278 vòng. Chia làm 6 lớp ( 5x 48 + 38 vòng ).
- Giữa hai lớp đặt một lớp giấy cách điện dày 0,1mm bằng bìa.
- Bề dày dây quấn thứ cấp:
e2 = d2.n + 0,1.5 = 1,04.6 + 0,5 = 6,74 mm
- Bán kính trung bình của dây quấn thứ cấp:
r2tb = 38 + 7,1 + 6,74/2 + 2 = 54,47 mm

- Chiều dài dây quấn thứ cấp:
l1 = 2Π.r2tb.10-3.n2 = 2. 3,14.45,05.10-3 .238 = 95,15 m.
- Điện trở của dây quấn thứ cấp ở 75oC:
R2 = ρ2.l2(1+0,004. 75) = 0,0202.95,15.(1+0,004.75) = 2,4,7Ω
c. Điện áp rơi trên điện kháng:
∆Ux = X.Id / π
Với X là điện kháng tản trên trụ., được tính như sau:

GVHD Đồn Quang Vinh

SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2


Đồ án môn học Điện tử công suất

Trang 9

8 2 n1 .r 
e + e2 
−7
X =
a + 1
. .10
h
3 

8.3,14 2.462 2  41,55 + 54,47  −3  7,1 + 6,74

X=
.

+ 32 .10 −3.314.10 −8
.10 .
−3
2
3
80.10




−3
48,01.10
= 3,7 Ω
X = 8.3,14 2.462 2.
.36,6.10 −3.314.10 −7
−3
80.10
2

Vậy ∆Ux = X.Id / π = 3,7.2,35 / 3,14 = 2,76 V.
d. Điện áp rơi trên điện trở:
∆Ur = [R2+R1(n2/n1)2].Id
= [ 2,47 + 3,16.(278/462)2 ].2,35 = 8,5 V
e. Điện áp chỉnh lưu khi đầy tải:
U = Udo - ∆Ur - ∆Ux - ∆Ufe
= 118,93 – 8,5 – 2,76 – 1,5 = 106,17 V
f. Tổn thất trong sắt từ có xét đến 15% tổn thất phụ:
P = 1,15.1,3.(1,75.1,1 + 2,34.1,1) = 6,73 W
j. Hiệu suất của thiết bị chỉnh lưu:
U d .I d

U d .I d + P + U r .I d + 1,5.I d
118,93.2,35
=
.100% = 90,24%
118,93.2,35 + 6,73 + 8,5.2,35 + 1,5.2,35

=

g. Tổng trở ngắn mạch:
Zn =

X 2 + Rd = 3,7 2 + 3,6 2 = 5,2 Với Rd = R2 + R1(n1 /n2)2 = 3,6 Ω
2

h. Dòng điện ngắn mạch:
In = U2/Zn = 132,1 / 5,2 = 25,4 A
4.. Cuộn kháng cân bằng Lc:
Cuộn kháng cân bằng có tác dụng hạn chế đến mức thấp nhất dịng điện tuần hồn,
cản trở sự đột biến của dòng điện để MBA và các Tiristor làm việc tốt hơn, khơng
bị nặng nề.
Giả sử góc mở α bằng 0, để Icc đạt giá trị lớn nhất, lúc đó nguồn U2 bị ngắn mạch
sinh ra dịng điện ngắn mạch:
In = I cc = 25,4 A
Lúc đó, ta có phương trình cân bằng sức điện động:
X0

dic1, 2
dt

= 2U 2 sin 

Lấy tích phân hai vế:
X 0 I c1, 2 =

1



/2



2U 2 sin  .d

0

Vậy giá trị trung bình
I c1, 2 =

GVHD Đồn Quang Vinh

1
X 0

2U 2

SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2


Đồ án môn học Điện tử công suất

X0 =

Suy ra:
Với

2U 2
I c1, 2

X0 = L0ω
Ic1,2 = 2%.Id = 2% .2,35 = 0,047 A
2.132,1
= 1265,9
0,047.3,14

 X0 =

Vậy:

Trang 10

L0 =

X0

=

1265,9
= 4H
314


Mặt khác : L0 = 2.Lcb + Lba
Với :
Lba = Xba /ω = 3,7 / 314 = 0,012 H
Do đó: Lcb = ( L0 – Lba) / 2 = ( 4 – 0,012 )/2 = 1,2 H

5.Tính bộ lọc LC:
Bộ lọc là thiết bị nối giữa nguồn chỉnh lưu và phụ tải điện một chiều. Bộ lọc có
chức năng ngăn chặn thành phần xoay chiều của điện áp và dòng chỉnh lưu. Trong
mạch chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ, ta thiết kế bộ lọc có nhiệm vụ chủ yếu là
hạn chế thành phần sóng hài bậc một và chỉ cho dịng một chiều đi qua.
Đối với mạch chỉnh lưu cơng suất lớn, ta dùng bộ lọc LC gồm: Một tụ điện C nối
song song với phụ tải và một điện cảm L mắt nối tiếp với phụ tải. Sơ đồ bộ lọc
được bố trí như mạch sau:
L

Ud

C

DC

Bộ lọc L,C

Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu có thể được khai triển thành chuỗi Fourier.
Nếu ta chỉ quan tâm tới hai số hạng đầu tiên thì điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu
một pha hai nửa chu kỳ có dạng như sau:
Ud =

2 2U 2
+ a n 2U 2 cos 2t


Trong đó:
+ U2 là giá trị hiệu dụng của điện áp phía thứ cấp MBA .
+ an = 4 / 3π = 0,425.
Nếu giả thuyết đối với sóng hài tần số thấp mà XL >> XC thì dịng xoay chiều chảy
qua L và C sẽ quyết định bởi XL, khi đó ta có thể viết:
I cm =

a n 2U 2
= (2  2,5)% I d = 0,06 A
2L

Điện áp nhấp nhô:
U c =

I cm
2a nU 2
=
2C 4 2 LC

Tỷ số nhấp nhơ:
GVHD Đồn Quang Vinh

SVTH Đinh Tấn Tồn Lớp 01D2


Đồ án môn học Điện tử công suất

K LC =

LC =

Suy ra

Trang 11

U C
2U

=

an
4 2 LC

an
4 2 K LC

Với hệ số nhấp nhô cho trước: KLC = 6% = 0,06 và an = 0,425

ta có:

và

LC =

0,425
= 17,96.10 −6
2

4.(314) .0,06

L=

a n 2U 2 0,425. 2132,1
=
= 2,11H
2I cm
2.314.0,06

C=

17,96.10 −6
= 8,51.10 −6 F = 8,51F
2,11

Vậy ta chọn : L = 2,11 H
C = 8,51 μF.

GVHD Đoàn Quang Vinh

SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2


Đồ án mơn học Điện tử cơng suất

Trang 12

Phần ba:
TÍNH CHỌN MẠCH BẢO VỆ:

Đối với chỉnh lưu bán dẫn, khi tính tốn cũng như trong vận hành ta phải đảm
bảo vấn đề bảo vệ quá dòng và quá áp cho các thiết bị trong mạch.
Thiết bị bán dẫn có van bán dẫn có kích thước nhỏ ( lớp tiếp giáp), nhiệt dung
bé và mật độ dòng điện qua mặt tiếp giáp p-n lớn nên rất nhạy với quá tải về dịng.
Hằng số thời gian phát nóng của một bản Silic trong van công suất chỉ cỡ vài phần
trăm giây. Do đó khâu bảo vệ dịng điện địi hỏi phải tác động nhanh.
Mặt khác, van bán dẫn cũng rất nhạy đối với quá điện áp, chỉ cần tồn tại một
điện áp ngược lớn hơn giá trị cho phép trong khoảng 1 - 2 μs cũng có thể chọc
thủng mặt tiếp giáp p-n.
1. Bảo vệ quá dòng điện:
Hai nguyên nhân gây quá dòng điện: Ngắn mạch và quá tải.
a. Ngắn mạch:
Đây là trường hợp có sự cố tạo ra dịng điện q lớn như ngắn mạch trên tải,
trên dây dẫn thứ cấp của MBA ( ngắn mạch bên ngoài), ngắn mạch các pha do
chọc thủng van bán dẫn ( ngắn mạch bên trong), do đột biến nghịch lưu.
b. Quá tải:
Hiện tượng quá tải xuất hiện trong trong thời gian làm việc xát lập hoặc quá độ.
Giá trị không lớn lắm và cho phép tồn tại trong thời gian lâu.
Để bảo vệ quá dòng cho các Tiristor, ta dùng các dây chảy tác động nhanh.
Loại dây chảy làm bằng chì hoặc bằng bạc lá được đặt trong vỏ sứ có chứa cát
thạch anh hoặc nước cất.
i

imax
ich
t
thq

tc

Các giai đoạn hoạt động của dây chảy.

Hoạt động của dây chảy có thể chia làm hai giai đoạn
như sau:
Giai đoạn 1: từ t = 0 đến khi bắt đầu xuất hiện hồ quang.
Giai đoạn 2; từ t = thq đến khi kết thúc ( t = tc).
Dòng điện khi chạy qua dây chảy sẽ sinh ra một nhiệt lượng Q = i2Rt.
Để bảo vệ quá dòng cho bộ biến đổi, ta chọn và đặt dây chảy tại các vị trí như sau:
( 3 vị trí ).
Vị trí 1: Đặt tại ngõ vào của MBA.
Vị trí 2: Đặt tại ngõ ra của MBA.
Vị trí 3: Đặt nối tiếp với mỗi Tiristor một dây chảy.
Vị trí đặt dây chảy như hình vẽ sau:
GVHD Đồn Quang Vinh

SVTH Đinh Tấn Tồn Lớp 01D2


Đồ án môn học Điện tử công suất

Trang 13

1
2

3

T1

T2

Z
T4

T3

Các vị trí đặt dây chảy.

2. Bảo vệ q điện áp:
Có hai nguyên nhân gây quá điện áp: Nguyên nhân nội tại và ngun nhân bên
ngồi.
a. Ngun nhân nội tại:
Do sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn .Khi ta khố các Tiristo bằng điện
áp ngược các điện tích đổi ngược hành trình, tạo ra dịng điện ngược trong khoảng
thời gian rất ngắn.
i
t

u2
t
Dịng và áp do sự tích tụ điện tích.

Sự biến thiên nhanh chóng của dịng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất
lớn trong các điện cảm của đường dây nguồn dẫn đến các Tiristor, làm cho giữa
Anot và Catot của Tiristor xuất hiện quá điện áp.
a. Nguyên nhân bên ngoài:
Các nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên như cắt không tải một MBA
trên đường dây, khi một cầu chì bảo vệ bị chảy, khi bị sét đánh…
Để bảo vệ quá áp, ta thường dùng mạch RC như sau:
- R,C đấu song song với Tiristor nhằm bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi

T
chuyển mạch gây nên.
C
R

Bảo vệ quá áp cho Tiristor khi chuyển mạch

GVHD Đoàn Quang Vinh

SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2


Đồ án môn học Điện tử công suất

-

Trang 14

RC đấu giữa hai pha thứ cấp MBA để bảo vệ quá điện áp do cắt khơng (dịng từ
hố) tải MBA gây nên.

R

U1

U2

C

Bảo vệ quá áp cho Tiristor khi cắt không tải MBA

Thông số của R và C phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra, tốc độ biến
thiên của dòng chuyển mạch, điện cảm trên đường dây, dịng điện từ hố MBA.
Ta chọn thơng số của R và C bằng cách dùng đồ thị giải tích, sử dụng những đường
cong chuẩn.
*. Tính R,C bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích gây nên:
- Hệ số quá điện áp: K = Uimp / (Ku.Uim)
Với
Uimp : là giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngược đặt trên Tiristor
một cách không chu kỳ. Tra theo sổ tay ĐTCS ta có Uimp = 300 V.
Uim: là giá trị cực đại của điện áp ngược thực tế đặt trên Tiristor. Uim = 186,8 V.
Ku: là hệ số dự trữ điện áp. Ku = 1,6.
Ta tính được K = 300/ (1,6.186,8) = 1,67.
- Xát định các thông số trung gian: C*min(K), R*max(K), R*min(K).
Dựa vào hình X-9 ĐTCS, với K = 1,67 ta có C*min(K) = 0,85; R*min(K) = 0,75
R*max(K) = 1,75 .
Tính

di
dt

max

khi chuyển mạch.

Khi chuyển mạch ta có phương trình:
Lba.
Suy ra
-

di
dt
di
dt

max

= 2U 2 sin 

max

=

2U 2
2 .132,1
=
= 15,57.10 3 A / s = 15,57.10-3 A / μs
Lba
0.012

 di 

 dt 

Xát định điện lượng tích tụ Q = f 

Bằng cách sử dụng đường cong trong sổ tay tra cứu, theo hình X.10
( tr 258-ĐTCS-Nguyễn Bính) với Id = 2,35 A, di /dt = 15,.10-3 A / μs
Ta tra được Q = 15 A / μs
- Xát định R ,C:

2Q.C * min 2.15.0,75
=
= 0,12 μF
Cmin(K) =
U im
186,8

GVHD Đoàn Quang Vinh

SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2


Đồ án môn học Điện tử công suất
Lba .U im
 R  R * max
2.Q

R * min

0,75

Trang 15
Lba .U im
2Q

0,012.186,8.10 −3
0,012.186,8.10 −3

R


1
,
75
2.15.10 −6
2.15.10 −6

6,5 ≤ R ≤ 15 (Ω)
Ta chọn: C = 0,12 μF.
R = 10 Ω.
(*) Tính R,C bảo vệ quá áp do cắt MBA không tải gây nên:
Cắt MBA khơng tải tức là cắt dịng điện từ hố MBA.
Sự việc cắt MBA không xảy ra một cách không chu kỳ. Việc tính tốn R,C được
tính theo các bước sau:
_ Xát đinh hệ số quá điện áp ( đã xát định ở phần trên ) k = 1,67.
_ Xát định các thông số trung gian: dựa vào các đường cong trong hình
X.11(tr260-ĐTCS_Nguyễn Bính) :
Với k = 1,67 ta tra được:
C*min = 0,25; R*min =1,4; R*max = 2,7.
- Tính giá trị lớn nhất của năng lượng từ trong MBA khi cắt.
Với MBA một pha: WT1 =

I s .o . m S
.
2 I 

Trong đó:
Isom: giá trị cực đại của dịng từ hoá quy sang thứ cấp.
Is: giá trị hiệu dụng dòng định mức thứ cấp.
Với
Is.o.m = 2 Is.o.

và
Iso = 0.03 Is
S: công suất biểu kiến MBA.
I som

0,03.390
= 0.04ws

314
2 I 
390
_ Giá trị hiệu dụng của dòng tải định mức: Is =
= 2,95 A
132,1

Suy ra: WT1 =

S

.

=

0.03.S

=

_ Xát định R,C:
*. Xát định C:
C min =

2WT1 .C * min

(U sm )

2

=

2.0,04.0,25

(

)

2.132,1

2

= 0,53.10 −6 F = 0,5 μF.

Ta chọn C = 0,5μF.
*. Xát định R:
R*min

U sm
U
< R < R*max sm
I som
I som

1,4.

2 .132,1

< R <2,7.

2 .0,03.2,35

2 .132,1
2 .0,03.2,35

2623 < R < 5059
Ta chọn: R= 3840 Ω
GVHD Đoàn Quang Vinh

SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2


Đồ án môn học Điện tử công suất

Trang 16

Phần bốn:
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
1. Khái niệm chung:
Tiristor chỉ mở cho dịng chảy qua khi có điện áp dương đặt vào anot và xung áp
dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi Thyrissto mở thì xung điều khiển khơng cịn
tác dụng và dịng điện chảy qua Tiristor do thơng số của mạch động lực quyết
định.Để điều khiển sự mở của Tiristor theo đúng thời điểm yêu cấu thì trong mạch

ta phải thiết kế hệ thống mạch điều khiển.Hệ thống mạch điều khiển thiết bị biến
đổi chỉnh lưu là tổ hợp các linh kiện điện từ, điện tử đóng vai trị rất quan trọng
trong các thiết bị biến đổi. Mạch điều khiển có các chức năng sau:
_ Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của
điện áp đặt trên anot_caôt của Tiristor.
_ Tạo ra các xung đủ điều kiện mở được Tiristor.
Đối với hệ thống điều khiển chỉnh lưu, mạch điều khiển cần đáp ứng có các
u cầu sau:
- Tạo ra dãy xung có cơng suất và độ rộng xung đủ để mở Tiristorr tuỳ theo yêu cầu
của Tiristor.( Xung trong thiết bị chỉnh lưu thường có biên độ từ 2 đến 10V, độ
rộng xung tx = 20 100μs.)
- Phải dịch pha xung điều khiển so với điện áp nguồn do đó yêu cầu thay đổi trị số
điện áp ra. Muốn dịch pha phải có đồng pha do Tiristorr làm việc ở mạch AC.
Để dịch pha xung điều khiển có 3 nguyên tắc:
+ Dịch chuyển theo chiều ngang
+ Dịch chuyển theo chiều đứng tuyến tính
+ Dịch chuyển theo chiều đứng phi tuyến tính ( ARCCOS).
Với bộ biến đổi chỉnh lưu một pha hai nửa chu kì này ta thực hiện theo nguyên tắc
điều khiển dịch chuyển theo chiều đứng ARCCOS.
1.Sơ đồ khối và chức năng các khối.
Mạch điều khiển dịch chuyển theo nguyên tắc chiều đứng ARCCOS gồm những
khối sau:
1

2

3

4
Th

Ucm

SS
Ur

>1
111
111

Chức năng các khối như sau:
- Ucm : Điện áp điều khiển, điện áp một chiều.
- Ur : Điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thể của nó, đồng bộ với điện
áp anot_catot của Tisistor.
- Hiệu điện áp Ucm – Ur được đưa vào khâu so sánh 1, làm việc như một trigơ, khi
- Ucm – Ur = 0 thì trigơ lật trạng thái, ở đầu ra của nó ta nhận được một chuỗi xung
dạng " sin chữ nhật ".
- Khâu 2 là khâu đa hài một trạng thái ổn định
- Khâu 3 là khâu khuếch đại xung.
- Khâu 4 là khâu biến áp xung.
Bằng cách tác động vào Udk có thể điều chỉnh được vị trí xung vào điều khiển
Thyrsisto, tức là điều chỉnh góc mở α.
GVHD Đồn Quang Vinh

SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2


Đồ án môn học Điện tử công suất

Trang 17

Theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS ta dùng 2 điện áp:
- Điện áp đồng bộ ( điện áp tựa) us vượt trước điện áp anod-catod Tiristorr một góc
π/2. (Nếu UAK = Umsinωt thì us = Umcosωt)
Điện áp điều khiển ucm là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ theo 2
hướng (dương và âm)
Trên hình vẽ,đường nét đứt là điện áp đồng bộ với điện áp anod-catod Tiristorr. Từ
điện áp đồng bộ này người ta tạo ra điện áp ur.

ur
ur uc
uc

ur

ωt
ωt
uudk
dk
ωt

α
ur+udk

Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS

Nếu đặt us vào cổng đảo và ucm và cổng không đảo của khâu so sánh thì khi us = ucm ta
sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng
thái:
Umcosα = ucm

Do đó: α = Arccos(

u cm
)
Um

Khi ucm = Um thì α = 0.
Khi ucm = 0
thì α = π /2.
Khi ucm = -Um thì α = 0.
Như vậy, khi điều chỉnh cho ucm biến thiên từ -Um đến Um thì ta có thể điều chỉnh
được góc α biến thiên từ 0 đến π.
3*.Thiết kế mạch điều khiển:
Trong sơ đồ chỉnh lưu này, ta dùng sơ đồ điều khiển một kênh theo kiểu ARCCOS.
+12 V
7812

47k
22

0.47
0.1uF

1.2

K

330k
10k

0A1

~

0A2
4.7k

4.7k
470uF

GG

U2
12k

Udk

100uF

U3

1k

4.7k

+
470uF

+

7912

-12 V

Sơ đồ mạch điều khiển một kênh ARCCOS
GVHD Đoàn Quang Vinh

SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2


Đồ án môn học Điện tử công suất

Trang 18

v
2π

π

ωt

u2
ucm
ωt
u3
ωt
uGK
ωt

Các dạng điện áp trong sơ đồ

Sơ đồ gồm một khâu tích phân OA1, một khâu so sánh OA2.
1. Khâu đồng bộ ( tích phân) OA1:
Tín hiệu đầu vào của OA1 là U1 = Um sin ωt.
Tín hiệu đầu ra của OA1 là U2 = −

Um
1 Um
sin t.dt =
cos t .

C R
.C.R
R
C

U1

R

Us

R

OA1

OA2

Vdk

U db = U s =

R

1
U 1 dt
CR 

GVHD Đoàn Quang Vinh

SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2


Đồ án môn học Điện tử công suất

Ta chọn ucmax =

Trang 19

Um
= 10 V
CR

Khi ucm = u2 ta có cosα = ucm / umax.
2. Khâu so sánh OA2:
Tín hiệu đầu ra Us của khâu đồng bộ được đưa đến đầu vào của khâu so sánh và đem
so sánh với Udk. Khi Us = Udk thì ở đầu ra của khâu so sánh, ta nhận được chuỗi xung
chữ nhật. Nhờ mạch R,C và Diot D ta có những xung dương điều khiển chậm sau v(t)
một góc α.
3. Khuếch đại xung, BAX:

Tín hiệu vào Uc là tín hiệu logic, Khi Uc = "1" thì Transistor mở bão hồ,
khi Uc = "0" thì Transistor bị khố.
Điện trở R hạn chế dịng colectơ, Diot D hạn chế quá điện áp trên các cực colectơemitơ, Diot D2 ngăn chặn xung âm có thể có khi Transistor bị khố, Rg hạn chế
dịng điều khiển, R2 điều chỉnh biên độ và sườn xung ra..
Hoạt động của sơ đồ:
Ban đầu khi Uc = "0" iL = iC = 0, UCE = E, iD = 0.
Giả sử khi t = 0, Uc = "1", T mở, điện cảm L ngăn khơng cho iC đạt ngay giá trị bão
hồ của nó là IC = E / R1 và dịng iC tăng trưởng chậm theo quy luật hàm mũ.

E
A

R1

F
iL
D2

R

Dr

BAX

Th

R2

iDr

Uc

R

iC

C
T

K
Khâu biến áp xung.

iL = i E =

−t
E 

1
−
e

R1 


 với  = L

R1


Sau khoảng thời gian 5  , IC ~ iC = E /R1. Bên thứ cấp BAX xuất hiện 1 xung điện áp

trên R2 để mở Trisito.
Khi t = T1, UC = "0" bấy giờ iL đạt giá trị
−t
E 

1
−
e
iL( T1) = iC(T1) = 
R1 

GVHD Đoàn Quang Vinh


 =Io< E /R1.



Transito T bị khoá iC = 0.
SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2


Đồ án mơn học Điện tử cơng suất

Nếu khơng có Diot D hoàn năng lượng W =

Trang 20
1
.L.Io2 sẽ sinh ra điện áp trên các cực C,
2

E của Transito gây quá điện áp vì khi UCE = VC thì Dr sẽ cho dòng chạy qua làm ngắn
mạch điểm C và F nên UCE = E + 0,8 V. Khi đó:
- từ t = T1 trở đi iL suy giảm theo quy luật:
−t

iL = Io e  với  ' = 1 / R'
'

Trong đó R' là điện trở của cuộn cảm L và điện trở thuận của Dr
Chọn Transito T_25_600V.
Số hiệu: Ig = 0,3 A.
Eg = 5V
.
tỷ số BAX tường là m = U1 / Ux = 23, ta chọn m = 3.
 điện áp đặt trên cuộn sơ cấp BAX:
U1 = m.Ux = 3.5 = 15 V.
Dòng sơ cấp BAX:
I1 = I2 /m = 0,3 / 3 = 0,1 A.
Chọn Transito làm việc ở tầng khuếch đại xung:
T – П605.
UCE = 40 V.; Icmax = 1,5 A; β = 20 60 lần.
------------------------------------------------------------------------.Tài liệu tham khảo;
1. Điện tử công suất-Nguyễn Bính-2001

2. …
.

GVHD Đồn Quang Vinh

SVTH Đinh Tấn Tồn Lớp 01D2