Thiết kế chế tạo mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Ngày... Tháng... Năm2021
Giáo viên hướng dẫn

1


MỤC LỤC
LỜI NÓI
ĐẦU.......................................................................................................5

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU..........................6
1.1 Giới thiệu chung..............................................................................................6
1.1.1 Đặc điểm…………………………………….…..........................................6
1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều……….……………………................6
1.1.3 Phân loại động cơ điện một chiều………….………………………...…....8
1.1.4 Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều.……………………….....…..8
1.1.5 Ưu, nhược điểm và ứng dụng của động cơ điện 1 chiều.………....….....…9
1.2 Các đại lượng định mức và phương pháp điều chỉnh tốc độ...........................9
1.2.1 Các đại lượng định mức.…………………………………………...….…..9
1.2.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ.…………………………………….......…9
1.2.2.1 Thay đổi điện trở trong mạch phần ứng.………………………...…....…9
1.2.2.2 Thay đổi từ thơng kích từ của động cơ....................................................10
1.2.2.3 Thay đổi điện áp phần ứng của động cơ..................................................11
1.1.2.4 Kết luận...................................................................................................12
Chương 2: BỘ CHỈNH LƯU VÀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN..............................13
2.1 Chỉnh lưu công suất.......................................................................................13
2.1.2 Khái niệm.……………………………………………………...…….......13
2.1.3 Phân loại.……………………………………………………..………......13
2.1.4 Cấu trúc mạch chỉnh lưu.……………………………………..……..........13
2.1.5 Mạch chỉnh lưu cầu .…………………………………………………..…14
2.2 Thiết bị điều khiển.........................................................................................16
2


2.2.1 Cấu trúc mạch điều khiển.………………………………….………....….16
2.2.2 Các nguyên tắc điều khiển.…………………………....……….............…17
2.2.2.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng across...............................................18
2.2.2.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính.........................................19
2.2.3 Các phương pháp điều khiển.………………………………….................20
2.2.3.1 Khối nguồn điều khiển............................................................................21

2.2.3.2 Mạch điều khiển......................................................................................22
2.2.3.3 Khâu cách ly............................................................................................26
2.2.4 Sơ đồ khối.………………………………………………………….....….27
Chương 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH...................................................28
3.1 Tính tốn thơng số của mạch.........................................................................28
3.1.1 Tính chọn giá trị van bán dẫn.....................................................................28
3.1.2 Tính tốn, chọn phần tử bảo vệ..................................................................28
3.2 Sơ đồ thiết kế.................................................................................................29
3.3 Nguyên lý hoạt động toàn mạch....................................................................30
KẾT LUẬN.........................................................................................................32
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................33

3


DANH SÁCH HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU
Hình 1.1 Hình ảnh động cơ điện một chiều kích từ độc lập………….....….……6
Hình 1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều……………………....………….....…6
Hình 1.3 Đặc tính cơ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Rf…………..…….10
Hình 1.4 Đặc tính cơ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi  ……………....…11
Hình 1.5 Đặc tính cơ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Uư…………....…..12
Hình 2.1 Cấu trúc của một bộ chỉnh lưu……………………………………….14
Hình 2.2 Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển ……………………………....14
Hình 2.3 Dạng sóng điện áp và dịng điện……………………………….…......15
Hình 2.4 Sơ đồ khối của mạch điều khiển………………………………….…..17
Hình 2.5 Nguyên tắc điều khiển thẳng đúng across……………………………18
Hình 2.6 Ngun tắc điều khiển thẳng đúng tuyến tính………………………..19
Hình 2.7 Các khâu của mạch điều khiển khi dùng IC thuật toán rời rạc……….20
Hình 2.8 Các khâu khi dùng IC tích hợp TCA785……………………….…….21
Hình 2.9 Sơ đồ điều khiển...................................................................................21

Hình 2.10 Hình ảnh, sơ đồ chân TCA 785 ……………….....…………….…...23
Bảng 2.1 Chức năng từng chân của TCA 785…………………....………….....24
Hình 2.11 Dạng tín hiệu của TCA 785…………………………………………24
Hình 2.12 Sơ đồ cấu tạo TCA 785......................................................................25
Bảng 2.2 Thông số giá trị các chân của IC..........................................................25
Hình 2.13 Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của MOC 3020……………….….…26
Hình 2.14 Sơ đồ khối…………………………………………………………...27
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cầu chỉnh lưu 1 pha bán điều khiển…………...……28
Hình 3.2 Sơ đồ mạch in………………………………………………………...29
4


LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, điện tử cơng suất đã và đang đóng một vai trị rất quan trọng trong q
trình cơng nghiệp hố đất nước. Sự ứng dụng của điện tử công suất trong các hệ thống
truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc dễ dàng tự
động hoá cho các quá trình sản xuất. Các hệ thống truyền động điều khiển bởi điện tử
công suất đem lại hiệu suất cao. Kích thước, diện tích lắp đặt giảm đi rất nhiều so với
các hệ truyền động thông thường.
Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung mơn học Điện tử công suất và
Truyền động điện chúng em đã được giao thực hiện đề tài: “Thiết kế chế tạo mạch
chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ”.
Với sự hướng dẫn của cô, chúng em đã tiến hành nghiên cứu và thiết kế đề tài
này.
Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn nên
khơng thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy, cơ đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện
hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn.

Sinh viên thực hiện:

5


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1 Giới thiệu chung:
1.1.1 Đặc điểm:
Động cơ điện 1 chiều DC là một loại động cơ hoạt động bằng nguồn điện
áp điện áp 1 chiều.

Hình 1. 1: Hình ảnh động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều:
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai thành phần chính gồm:
Phần tĩnh và phần động.

Hình 1. 2: Cấu tạo động cơ điện một chiều.
- Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh
ra từ trường nó gồm có:
+ Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngồi mạch từ (nếu động cơ được kích
từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc).
Dây quấn kích thích hay cịn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ,
các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau.

6


+ Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây
quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ
thuật điện hay thép cacbon, động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ
được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông. Dây quấn kích từ được quấn bằng

dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một
khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được
đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau.
+ Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính. Lõi thép của cực
từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà
cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ
những bulông.
+ Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng th ời làm
vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại,
trong máy điện lớn thường dùng thép đúc.
+ Các bộ phận khác:
Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây
quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp
máy cịn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm
bằng gang.
Cơ cấu chổi than: Để đưa dịng điện từ phần quay ra ngồi.
Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lị
xo tì chặt lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách đi ện
với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng
chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.
- Phần quay hay rơto: Bao gồm những bộ phận chính sau:
+ Phần sinh ra sức điện động gồm có: Mạch từ được làm bằng vật liệu
sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau. Trên mạch từ có các rãnh đ ể l ồng dây
quấn phần ứng. Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một
quy luật nhất định. Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây
được nối với các phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách
điện với nhau và cách điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp. Tỳ trên cổ góp là
cặp trổi than và được ghép sát vào thành cổ góp nhờ lị xo.
+ Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ
thuật điện có cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng

7


điện Fuco gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đ ặt
dây quấn vào. Trong những động cơ trung bình trở lên người ta cịn dập những
lỗ thơng gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thơng gió dọc
trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những
đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thơng gió. Khi
máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong đ ộng
cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong động
cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rơto. Dùng giá rơto có thể ti ết ki ệm
thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.
+ Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện
động và có dịng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng
có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có cơng suất dưới vài Kw thường dùng dây
có tiết diện trịn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật,
dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị
văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai ch ặt dây
quấn. Nêm có thể làm bằng tre.
+ Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với n hau
và hợp thành một hình trục trịn. Hai đầu trục trịn dùng hai hình ốp hình ch ữ V
ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ trịn cũng cách điện bằng mica. Đi vành góp có
cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phi ến góp
được dễ dàng.

1.1.3 Phân loại động cơ điện một chiều:
Động cơ điện một chiều được phân loại theo kích từ thành những loại
sau:
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được

cung cấp từ hai nguồn riêng lẻ.
Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc
song song với phần ứng.
Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối
tiếp với phần ứng.
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có hai cuộn dây kích từ,
một cuộn mắc song song với phần ứng, một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng.

8


1.1.4 Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều:
. Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện. Các
thanh dẫn có dịng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay,
chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái. Khi phần ứng quay được
nửa vịng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau. Do có phiếu góp chiều dịng
điện dữ ngun làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi. Khi quay, các thanh
dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều của suất điện động
được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều sức điện động Eư
ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động ta có phương
trình:
U = Eư + Rư.Iư

1.1.5 Ưu, nhược điểm và ứng dụng của động cơ điện 1 chiều:
- Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều:
+ Ưu điểm nổi bật của động cơ điện 1 chiều là có momen mở máy lớn, do đó sẽ
kéo được tải nặng khi khởi động.
+ Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt.
+ Tiết kiệm điện năng.
+ Bền bỉ, tuổi thọ lớn.

- Nhược điểm của động cơ điện 1 chiều:
+ Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng hay hư hỏng trong quá
trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa cẩn thận, thường xuyên.
+ Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất
là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ.
+ Giá thành đắt mà công suất không cao.
- Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều cũng rất đa dạng trong mọi lĩnh vực của
đời sống: Trong tivi, máy công nghiệp, trong đài FM, ổ đĩa DC, máy in- photo, đặc
biệt trong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay
liên tục trong phạm vi lớn .....

1.2 Các đại lượng định mức và phương pháp điều chỉnh tốc độ:
1.2.1 Các đại lượng định mức:
Đối với máy điện một chiều các thông số định mức bao gồm:
+ Công suất định mức (W)
+ Điện áp định mức (V)
+ Dòng điện định mức(A)

9


+ Tốc độ định mức(v/p)
Các thông số khác như kiểu máy, phương pháp và dịng điện kích thích...

1.2.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ:
1.2.2.1 Thay đổi điện trở trong mạch phần ứng:
Ta thấy rằng khi thay đổi Rf thì ωo = const cịn Δω thay đổi, vì vậy ta sẽ
được các đường đặc tính điều chỉnh có cùng ωo và dốc dần khi Rf càng l ớn, v ới
tải như nhau thì tốc độ càng thấp.


U dm
R R
 � 2f .M
k dm (kdm)

Hình 1.3 Đặc tính cơ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Rf
- Đặc điểm điều chỉnh:
+ Tốc độ không tải lý tưởng không đổi.
+ Chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm.
+ Khi Rf tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm ⇒ độ ổn
định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn.
+ Tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở phụ.
Nếu ta tăng Rf đến một giá trị nào đó thì sẽ làm M ≤ Mc như thế động cơ sẽ
không quay được và động cơ làm việc ở chế độ ngắn mạch (ω = 0). Từ lúc này, ta
có thể thay đổi Rf thì tốc độ vẫn bằng 0, nghĩa là khơng điều chỉnh tốc độ động
cơ được nữa. Do đó phương pháp điều chỉnh này là phương pháp điều chỉnh
không triệt để.
- Ưu điểm: Thiết bị thay đổi đơn giản, thường dùng cho các động cơ cần
trục, thang máy, …
- Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp thì giá trị điện trở đóng vào
càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm dẫn đến sự ổn định tốc độ khi
phụ tải thay đổi kém. Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì
tổn hao phụ càng cao.
⇒ Phương pháp thay đổi Rf chỉ phù hợp khi khởi động động cơ.

10


1.2.2.2 Thay đổi từ thơng kích từ của động cơ:

Ta thấy rằng khi thay đổi  thì ωo và Δω đều thay đổi, vì vậy ta sẽ được
các đường đặc tính điều chỉnh dốc dần và cao hơn đặc tính cơ tự nhiên khi 
càng nhỏ, với tải như nhau thì tốc độ càng cao khi giảm từ thơng  .


U dm
R
 �2 .M
k (k)

Hình 1.4 Đặc tính cơ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi 
- Đặc điểm điều chỉnh:
+ Giảm từ thơng thì tốc độ thay đổi tỉ lệ nghịch, từ thơng càng giảm thì tốc
độ khơng tải lý tưởng càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn.
+ Dịng điện ngắn mạch khơng đổi.
+ Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thơng.
Nếu giảm  q nhỏ thì có thể làm cho tốc độ động cơ lớn quá giới hạn
cho phép, hoặc làm cho điều kiện chuyển mạch bị xấu đi do dòng phần ứng tăng
cao. Như vậy, để đảm bảo chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng
phần ứng ⇒ momen trên trục động cơ giảm nhanh ⇒ động cơ bị quá tải.
- Ưu điểm: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng có
thể điều chỉnh vơ cấp và cho tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản. Phương pháp n ày
thường được dùng cho các máy như: máy mài vạn năng, máy bào gỗ,…... Việc
điều chỉnh được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thất năng lượng ít, thi ết bị
đơn giản nên giá thành thấp.
- Nhược điểm: Do điều chỉnh sâu nên β giảm, sai số tĩnh lớn, kém ổn định
với tốc độ cao. Nghĩa là điều chỉnh càng sâu thì Δω càng lớn. Nên đặc tính càng
dốc momen nhỏ đến khi nhỏ hơn momen phụ tải thì động cơ khơng chạy được.

11

1.2.2.3 Thay đổi điện áp phần ứng của động cơ:
Khi thay đổi Uư thì ωo thay đổi cịn Δω = const, vì vậy ta sẽ được các
đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau. Nhưng muốn thay đổi Uư thì phải
có bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp ra, thường dùng các bộ bi ến đổi.


U�
R�

.M
kdm (kdm)2

Hình 1.5 Đặc tính cơ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Uư
- Đặc điểm điều chỉnh:
+ Tốc độ động cơ tăng/giảm theo chiều tăng/giảm của điện áp phần ứng.
+ Thay đổi được cả tốc độ không tải lý tưởng ωo, và dịng điện ngắn
mạch.
+ Độ cứng đặc tính cơ giữ khơng đổi trong tồn bộ dải điều chỉnh.
+ Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm vì chỉ có thể thay đổi với Uư ≤
Uđm.
- Ưu điểm: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp
phần ứng động cơ sẽ giữ nguyên độ cứng đường đặc tính nên được dùng nhiều
trong các máy cắt gọt kim loại. Đảm bảo tính kinh tế, tổn hao năng l ượng thấp,
phạm vi điều chỉnh rộng. Nếu kết hợp với phương pháp điều chỉnh từ thơng thì
ta có thể điều chỉnh tốc độ lớn hơn và nhỏ hơn tốc độ định mức.
- Nhược điểm: Phương pháp này cần một bộ nguồn có thể thay đổi tốt
điện áp .

1.2.2.4 Kết luận:
Qua 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều như trên,
thì phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần
ứng là tốt hơn cả và triệt để nhất. Vì vậy, chúng em lựa chọn phương pháp thay
đổi điện áp phần ứng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều.

12


13


Chương 2: BỘ CHỈNH LƯU VÀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN
2.1 Chỉnh lưu công suất:
2.1.2 Khái niệm:
Mạch chỉnh lưu là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều thành
nguồn điện một chiều nhằm cung cấp cho phụ tải điện một chiều.

2.1.3 Phân loại:
+ Theo số pha: một pha, ba pha, m pha ...
+ Theo loại van: diode hoặc thyristor
+ Mạch sử dụng tồn bộ diode là chỉnh lưu khơng điều khiển.
+ Mạch sử dụng toàn bộ Thyristor là chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn.
+ Vừa sử dụng thyristor, vừa sử dụng diode là chỉnh lưu bán điều khi ển.
+ Phân loại theo sơ đồ mắc: Anode chung hoặc Cathode chung.

2.1.4 Cấu trúc mạch chỉnh lưu:
Trong thực tế các mạch chỉnh lưu có nhiều loại và khá đa dạng về hình dáng
cũng như tính năng. Tuy nhiên về cơ bản cấu trúc trong bộ biến đổi thường có các bộ
phận sau:

+ Biến áp nguồn nhằm biến đổi điện áp từ cao xuống thấp hoặc ngược lại.
+ Van công suất chỉnh lưu, các van này có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện xoay
chiều thành nguồn một chiều.
+ Mạch lọc nhằm lọc và san phẳng dòng điện hay điện áp nguồn để mạch chỉnh
lưu có chất lượng tốt hơn.
+ Mạch đo lường trong bộ chỉnh lưu thường dùng để đo dòng điện, điện áp.
+ Mạch điều khiển là bộ phận rất quan trọng trong các bộ chỉnh lưu có điều
khiển, nó quyết định độ chính xác, ổn định và chất lượng bộ chỉnh lưu.
+ Phụ tải của mạch chỉnh lưu thường là phần ứng động cơ điện một chiều, kích
từ máy điện một chiều, cuộn hút nam châm điện, các tải có sức điện động E, đôi khi tải
là các đèn chiếu sáng hay các điện trở tạo nhiệt...

14


Hình 2.1 Cấu trúc của một bộ chỉnh lưu.

2.1.5 Mạch chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển hai SCR mắc
K chung sử dụng trong đề tài:
a. Sơ đồ nguyên lý
* Tải R + L ; L = ; xét chế độ làm việc xác lập và lý tưởng.

Hình 2.2 Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển dùng hai SCR mắc K chung.

15


Hình 2.3 Dạng sóng điện áp và dịng điện
b. Ngun lý làm việc
- Trên sơ đồ nguyên lý ta thấy nhóm mắc catot chung là các thyritstor được mở

vào thời điểm t = khi được kích xung điều khiển. Nhóm anot chung là các van diode
chúng mở theo quy luật tự nhiên, phụ thuộc vào điện áp nguồn: D1 mở khi u2 bắt đầu
âm; D2 mở khi u2 bắt đầu dương. Do vậy quá trình làm việc của các van trong một chu
kỳ điện lưới là:
+ Trong khoảng: thì van T1 và D2 dẫn.
+ Trong khoảng: + thì van T1 và D1 dẫn.
+ Trong khoảng: + 2 thì van T2 và D1 dẫn.
+ Trong khoảng: 2 2 + thì van T2 và D2 dẫn.
Quá trình các chu kỳ sau được lặp lại tương tự.
- Qua đây ta thấy khi mạch làm việc có hai đoạn có hiện tượng dẫn thẳng hàng
của hai van: T1 và D1; van T2 và D2. Do đó khoảng thời gian này điện áp trên tải bị
ngắn mạch ud = 0 (v). Các đoạn khác ud bám theo điện áp nguồn. Như vậy dòng điện
qua tải id vẫn liên tục còn dòng điện qua máy biến áp nguồn thì gián đoạn. Điều này
có lợi về mặt năng lượng vì năng lượng khơng cần lấy từ nguồn mà vẫn duy trì được
trong tải.
c. Các biểu thức tính tốn:
- Điện áp trung bình trên tải:
Ud = = (1 + cos)

16


- Dịng điện trung bình trên tải:
Id =
- Dịng trung bình qua một van bán dẫn:
IT = ID =
- Dịng điện hiệu dụng chảy qua van diode và thiristor:
IT RMS = ID RMS ==Id
- Điện áp ngược và điện áp thuận lớn nhất rơi trên van thyritstor:
UT ngmax=UT thmax= .U2

2.2 Thiết bị điều khiển:
2.2.1 Cấu trúc mạch điều khiển:
- Mạch điều khiển bao gồm các khâu:
+ Khâu đồng bộ (ĐB)
+ Khâu tạo điện áp tựa (xung có dạng hình răng cưa)
+ Khâu so sánh (SS)
+ Khâu tạo xung (TX)
+ Khâu khuếch đại xung (KĐX)

Hình 2.4 Sơ đồ khối của mạch điều khiển
- Khâu đồng bộ (hay đồng pha):
Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa đồng bộ với điện áp lưới, cho phép xác
định được góc điều khiển.
- Khâu tạo điện áp tựa:
Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa (Uđp) dạng thích hợp sao cho trong mỗi
nửa chu kì của điện áp cần chỉnh lưu đều có dạng điện áp ra theo quy lu ật gi ống
nhau.
- Có 2 dạng điện áp tựa:
+ Dạng răng cưa: (răng cưa sườn trước; răng cưa sườn sau)

17


+ Dạng hình sin. Dạng hình sin cho điện áp chỉnh lưu tuyến tính với đi ện
áp điều khiển nhưng có nhược điểm là phụ thuộc vào lưới điện và bị nhiễu theo
nguồn. Trong thực tế người ta hay dùng điện áp tựa dạng hình răng cưa hơn.
- Khâu so sánh:
Thực hiện nhiệm vụ so sánh điện áp tựa với điện áp điều khi ển để phát
động tạo xung có độ rộng thích hợp điều khiển tới van.

- Khâu tạo xung:
Vì xung dương sau khối so sánh là một xung vng có độ rộng kéo dài từ
khi xuất hiện cho đến hết nửa chu kì đang xét của điện áp chỉnh lưu, xung này
chưa thích hợp để mở thysistor. Do vậy khâu tạo xung này có nhiệm vụ:
+ Chế tạo xung ra thành dạng thích hợp cho việc mở thysistor (dạng xung
kim đơn hoặc xung chùm).
+ Khuếch đại đủ công suất mở thysistor.
+ Chia xung cấp cho các thysistor.
- Khâu khuyếch đại xung:
Có nhiệm vụ khuyếch đại để đảm bảo về:
+ Độ lớn của xung.
+ Công suất xung điều khiển.
+ Cách ly mạch lực với mạch điều khiển.

2.2.2 Các nguyên tắc điều khiển:
- Có 2 hệ điều khiển chỉnh lưu cơ bản là hệ đồng bộ và hệ không đồng bộ.
Hệ đồng bộ: Trong hệ đồng bộ góc mở ln được xác định, xuất phát từ
một thời điểm cố định của điện áp mạch lực. Vì vậy trong mạch điều khi ển ph ải
có một khâu thực hiện nhiệm vụ này gọi là khâu đồng bộ hay đồng pha để đảm
bảo mạch điều khiển hoạt động theo nhịp của mạch lực.
Hệ đồng bộ có:
+ Nhược điểm là nhậy với nhiễu.
+ Ưu điểm là hoạt động ổn định và dễ thực hiện.
Hệ khơng đồng bộ: Trong hệ này góc khơng xác định theo điện áp lực mà
được tính dựa vào trạng thái của tải chỉnh lưu và vào góc điều khiển của l ần
phát xung mở van trước đấy.
Do đó hệ khơng đồng bộ có:

18

+ Ưu điểm: Mạch điều khiển này không cần khâu đồng bộ, có khả năng
chống nhiễu tốt hơn hệ đồng bộ vì hệ đồng bộ được điều khiển theo mạch vịng
kín.
+ Nhược điểm: Chỉ thực hiện điều khiển ở trong mạch vịng kín, có độ ổn
định kém hơn hệ đồng bộ.
- Với những đặc điểm đó, chúng em lựa chọn hệ điều khiển đồng bộ để
thực hiện điều khiển mạch chỉnh lưu.
- Hệ điều chỉnh đồng bộ có thể được điều khiển thông qua hai nguyên tắc:
+ Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng across.
+ Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính.

2.2.2.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng across:
Nguyên lý hoạt động:
+ Điện áp đồng bộ U đb vượt trước điện áp UAK của thysistor một góc bằng
(với chỉnh lưu cầu một pha), nên khi chúng ta sử dụng chỉnh lưu bán đi ều khi ển
thysistor mắc thẳng hàng thì U đb vượt trước UAK một góc bằng
Nếu ta chọn ωt = 0 là thời điểm chuyển mạch tự nhiên thì khi:
uAK = U0. sinωt ta sẽ có u đk = U0. cosωt; ( điện áp điều khiển là điện áp một
chiều có thể điều chỉnh theo hai hướng dương và âm)
Do vậy khi ωt = α thì U đk = U0.cosα
Nếu chọn ωt = 0 là thời điểm chuyển mạch tự nhiên thì:
+ Khi uAK = U0sinωt ta có uđf = U1cosωt.
+ Tại ωt = α thì U1cosα= Uđk

Uđf
UAK

90o 0
U1

U
1
-U1

0

uđf
Uđk
Xđk

t
t

Hình 2.5 Nguyên tắc điều khiển thẳng đúng across

19


- Điện áp điều khiển Uđk là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được theo
hai hướng dương và âm .
- Nếu đặt uđf vào cổng đảo và uđk vào cổng khơng đảo của khâu so sánh thì
khi uđf = uđk ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi
khâu này lật trạng thái do đó α = arccos
+ Khi Uđk = U1 ta có α = 0
+ Khi Uđk = 0 ta có  =
+ Khi Uđk = -U1 ta có  = 
Như vậy khi thay đổi điện áp Uđk từ (–U1) đến (+U1) ta sẽ thay đổi được
góc mở van (α) từ 0 đến  .
- Nhận xét:

+ Phương pháp điều khiển thẳng đứng arccos thường được sử dụng cho
những hệ chỉnh lưu cần chất lượng điều khiển cao.
+ Điện áp đồng pha được tạo ra bằng cách lọc điện áp lưới, dịch pha 1 góc
900 , nếu điện áp lưới có chất lượng kém (chúa nhiều sóng điều hịa bậc cao) thì
bộ điều chế có thể hoạt động khơng chính xác
+ Mạch điều hkhiển theo ngun tẵc arccos chỉ điều khiển được 1
Thyristor duy nhất nên trong hệ cỉnh lưu gồm nhiều Thyristor sẽ cần số mạch

t

điều khiển tương ứng gây tốn kém và cồng kềnh cho bộ điều khiển.

t

Xđk

uRC

uđf

uAK

Uđk t

2.2.2.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

Hình 2.6 Ngun tắc điều khiển thẳng đúng tuyến tính

0

0

0

- Nguyên lý hoạt động :

20


+ Dùng 2 điện áp : URC, Uđk
Điện áp răng cưa (URC) có dạng tuyến tính được động bộ từ lưới điện, và
thông thường thời điểm tạo điện áp răng cưa trùng với thời điểm chuyển mạch
tự nhiên.Điện áp điều khiển (Uđk )là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được
biên độ .
+ Điện áp răng cưa (URC) và điện áp điều khiển (Uđk) được đưa vào bộ so
sánh, khi URC = Uđk sẽ có xung điều khiển mở thông Thyristor.
+ Bằng cách thay đổi điện áp điều khiển Uđk ta có thể điều chỉnh được
thời điểm phát xung điều khiển mở Thyristor (tức là điều khiển góc mở α (α = Π
) để xác định Uđk).
Uđk = URC max khi α = Π
Uđk = 0

khi α = 0

+ Thường chọn: URCmax = Uđkmax =10V
- Nhận xét:
Mạch đáp ứng được yêu cầu cấp xung cho 2 Thyristor của mạch chỉnh lưu
bán điều khiển. Do vậy em chọn mạch điều khiển dựa trên nguyên tắc :“Điều
khiển thẳng đứng tuyến tính”.

2.2.3 Các phương pháp điều khiển:
Một số phương pháp lựa chọn mạch điều khiển
* Phương pháp đầu: Sử dụng IC thuật tốn rời rạc thơng qua các khâu:
- Khâu đồng pha
- Khâu tạo điện răng cưa
- Khâu so sánh
- Khâu tạo xung chùm
- Khâu trộn xung
- Khâu khuếch đại và biến áp xung

21


Hình 2.7 Các khâu của mạch điều khiển khi dùng IC thuật toán rời rạc
- Ưu điểm:
+ Giá thành rẻ
- Nhược điểm:
+ Mạch phức tạp phải thông qua nhiều khâu
+ Chất lượng điều khiển không cao
* Phương pháp tiếp theo: Dùng IC tích hợp TCA 785

Hình 2.8 Các khâu khi dùng IC tích hợp TCA785
Đối với việc điều khiển điện áp một chiều ta có thể sử dụng vi mạch tích
hợp TCA 785 để đơn giản mạch điều khiển.
- Ưu điểm:
+ Mạch đơn giản, ít khâu điều khiển
+ Tạo ra điện áp đối xứng
+ Chất lượng điện áp ra như mong muốn
- Nhược điểm :
+ Giá thành đắt

Kết luận: Từ việc so sánh ưu nhược điểm của 2 phương án trên em chọn
phương pháp thứ 2 (Sử dụng mạch tích hợp TCA 785).

2.2.3.1 Khối nguồn điều khiển:

Hình 2.9 Sơ đồ điều khiển
Nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều 15V thành dòng 1 chiều. Dòng điện đi
qua tụ C6 để lọc nguồn đầu vào và giúp san phẳng điện áp, rồi đi qua tụ gốm

22


C1,C5 để lọc nhiễu cao tần. Trước khi qua tụ C5 thì được ổn định điện áp bởi IC
7815 rồi cuối cùng là qua tụ C8 để lọc nguồn sau khi đã ổn định đi ện áp.

2.2.3.2 Mạch điều khiển:
a. Mạch tích hợp TCA 785
- Điện áp điều khiển: Uđk = Ug = 1,5(V)
- Dòng điện điều khiển: Iđk = 40 (mA)
TCA 785 được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiết bị chỉnh dòng
điện áp xoay chiều.
+ IC TCA 785 (có tích hợp các khâu đồng pha, so sánh, tạo xung, sửa xung,
khuyếch đại) tạo ra 2 xung điều khiển đến kích mở cho Thyristor (T1 và T2).
+ Vi mạch TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch
điều khiển: Tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa, so sánh và tạo xung.
- Ưu điểm:
+ Dễ phát hiện việc chuyển qua điểm không
+ Phạm vi ứng dụng rộng rãi
+ Có thể dung làm chuyển mạch điểm khơng
+ Có thể hoạt động 3 pha (3 IC)

+ Dòng điện ra 250 mA
+ Miền dốc dòng lớn
+ Dải nhiệt độ rộng
b. Hình ảnh kí hiệu:

Hình 2.10 Hình ảnh, sơ đồ chân TCA 785
c. Chức năng

23


Chân
1

Kí hiệu
GND

2
3

Chức năng
Chân nối đất
Đầu ra 2 đảo

QU

4

Đầu ra U
Đầu ra 1 đảo

5

VSYNC

Tín hiệu đồng bộ

6

I

Tín hiệu cấm

7

QZ

Đầu ra z

8

VREF

Điện áp chuẩn

9

R9

Điện áp tạo xung răng cưa

10

C10

Tụ tạo xung răng cưa

11

V11

Điện áp điều khiển

12

C12

Tụ tạo độ rộng xung

13

L

14

Q1

Đầu ra 1

15

Q2

Đầu ra 2

16

Tín hiệu điều khiển xung
ngắn, xung rộng

VS
Điện áp nguồn nuôi
Bảng 2.1 Chức năng từng chân của TCA 785

d. Dạng tín hiệu

24


Hình 2.11 Dạng tín hiệu của TCA 785
e. Sơ đồ cấu tạo, và thơng số của TCA 785

Hình 2.12 Sơ đồ cấu tạo TCA 785
Thông số

Giá trị min

Giá trị tiêu
biểu
(f=50HZ,

Giá trị max

Đơn vị

25