Thiết kế bộ điều áp xoay chiều 3 pha

Đồ Án Điện Tử Công Suất

LỜI MỞ ĐẦU
-

Ngày nay, cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật
trong công nghiệp, đặc biệt là trong cơng nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử có
cơng suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều. Đặc biệt là các ứng dụng của
nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát
triển hết sức mạnh mẽ.

-

Tuy nhiên, để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của cơng
nghiệp thì ngành điện tử cơng suất phải ln nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu
nhất. Đặc biệt với chủ trương cơng nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, các nhà
máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao công nghệ bằng cách đưa công nghệ
điều khiển tự động vào trong sản xuất. Do đó địi hỏi phải có thiết bị và phương
pháp điều khiển an tồn, chính xác. Đó là nhiệm vụ mà nghành điện tử công suất
cần phải giải quyết.

-

Để giải quyết được vấn đề này, nhà nước ta cần có đội ngũ thiết kế đông đảo và
đủ năng lực. Sinh viên ngành Tự động hóa tương lai khơng xa sẽ đứng trong đội
ngũ này, do đó cần phải tự trang bị cho mình một trình độ và tầm hiểu biết sâu
rộng. Chính vì vậy, đồ án mơn học Điện tử cơng suất là yêu cầu cấp thiết cho mỗi
sinh viên tự động hóa. Đó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi
sinh viên và cũng là điều kiện cho sinh viên tự tìm hiểu, nghiên cứu kiến thức về
điện tử công suất.

-

Mặc dù vậy, do kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên vẫn cần đến sự giúp đỡ và
hướng dẫn của thầy giáo. Qua đây, em xin được gởi lời cám ơn đến cơ Nguyễn
Thị Điệp tận tình chỉ dẫn để em có thể hồn thành đề án này.

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Đức Hoàn
Lê Ngọc Hưng
Nguyễn Văn Mạnh

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 1


Đồ Án Điện Tử Công Suất

MỤC LỤC

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 2


Đồ Án Điện Tử Công Suất

ĐỀ BÀI
Thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha với tải thuần trở công suất 20kW; điện áp

nguồn ba pha 380/220V, tần số 50Hz.

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU
1.1 Bộ điều áp xoay chiều
1.1.1 Định Nghĩa
Bộ biến đổi
xung áp xoay
chiều

Bộ biến đổi xung áp xoay chiêu là thiết bị dùng để điều chỉnh điện áp xoay chiều
ra tải từ một nguồn áp xoay chiều.
1.1.2 Phân loại
Điều áp xoay chiều được phân loại theo một số cách sau đây:
-Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van:
+Điều áp xoay chiều một pha
+Điều áp xoay chiều hai pha
+Điều áp xoay chiều ba pha
-Phân loại theo van bán dẫn trong mạch
+Mạch dùng thyristor, gọi là chỉnh lưu điều khiên
+Mạch dùng triac
+Mạch dùng thyristor và diot, gọi là chỉnh lưu bán điều khiển

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 3


Đồ Án Điện Tử Công Suất

1.1.3 ứng dụng

Điều áp xoa chiều ứng dụng tương đối hạn chế trong thực do có nhược điểm là
trong tồn giải điều chỉnh có dạng điện áp và dịng điện khơng sin. Vì vậy chủ yếu được
sử dụng với các tải mang tính thuần trở. Chủ yếu sủ dụng để điều khiển công suất tiêu
thụ của cá tải như lò nướng điện trở, bếp điện, điều khiển chiếu sáng cho sân khấu quảng
cáo, điều khiển vận tốc động cơ không đồng bộ công suất vừa và nhỏ ( máy quạt gió,
máy bơm, máy xay), điều khiển động cơ vạn năng (dụng cụ điện cầm tay, máy trộn, máy
sấy). bộ biến đổi xoay chiều còn được dùng trong các hệ thông bù nhuyễn công suất
phản kháng
1.2 Thyristor.
1.2.1 Cấu tạo, ký hiệu Thyristor

Hình 1.1.thyristor.
a:cấu trúc bán dẫn, b:ký hiệu
Thyristor có cấu tạo gồm 4 lớp bán dẫn p-n-p-n ghép lại tạo thành, tạo ra ba lớp
tiếp giáp p-n: J1, J2,J3. Thyristor có 3 cực là anot A, katot K và cực điều khiển G gọi là
A-K-G. Thyristor là Diode có điều khiển , bình thường khi được phân cực thuận,
Thyristor chưa dẫn điện, khi có một điện áp kích vào chân G => Thyristor dẫn cho đến
khi điện áp đảo chiều hoặc cắt điện áp nguồn Thyristor mới ngưng dẫn..
1.2.2. Đặc tuyến Volt-Ampere của Thyritor
Đặc tính vơn –ampe của một Thyristor gịm hai phần( hình1. 2). Phần thứ nhất
nằm trong góc phần tư thứ I gọi là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp >0;
GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 4


Đồ Án Điện Tử Công Suất

phần thứ hai nắm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương tứng với trường
hợp <0.

Hình 1.2: đặc tính vơn-ampe của Thyristor
a.Trường hợp dịng điện vào cực điều khiển bằng khơng(IG=0)
Khi dòng vào cực điều khiển của Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch từ cực điều
khiển Thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với hai trường hợp phân cực điện áp giữa anotcatot. Khi điện áp <0 theo cấu tạo bán dẫn của Thyristor, hai tiếp giáp J1,J3 điều được
phân cực, lớp J2 phân cực thuận, như vậy Thyristor sẽ giống 2 diot mắc nối tiếp bị phân
cực ngược. qua Thyristor sẽ chỉ có một dịng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dong rò. Khi
tăng đạt đến một giá trị điện áp lớp nhất sẽ xảy ra hiện tượng Thyristor bị đánh thủng,
dịng điện có thể tăng lên rất lớn . giống như đặc tính ngược của diot, quá trình bị đánh
thủng là q trình khơng thể đảo ngược được, nếu có giảm điện áp xuống dưới thì dịng
điện cũng khơng giảm dược về mức dịng rị, Thyristor đã bị hỏng
Khi điện áp anot-catot theo chiều thuận, >0, lúc đầu cững chỉ có một dịng điện rất
nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương dương mạch anot-catot vẫn có giá trị rất
lớn. khi đó tiếp giáp J1,J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược. Cho đến khi tăng đạt đến
giá trị điện áp thuận lớp nhất sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch anot-catot
GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 5


Đồ Án Điện Tử Cơng Suất

đột ngột giảm, dịng điện chạy qua Thyristor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngồi.
Nếu khi đó dịng qua Thyristor lớn hơn một mức dịng tối thiểu, gọi là dịng duy trì , thì
khi đó Thyristor sẽ dẫn dịng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận
ở diot. Đoạn đặc tính thuận đặc trung bởi tính chất dịng có thể có giá trị lớn nhưng điện
áp rơi trên anot-catot hỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dịng điện.
b. Trường hợp có dịng điện vào cực điều khiển (IG>0)
Nếu có dịng điện đưa vào giữa cực điều khiển và catot, quá trình chuyển điểm cà
làm việc trên đường đặc tính thuận sx xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt đến

giá trị lớn nhất . Điều này được mơ tả trên hình 2 bằng những đường nét đứt, ứng với các
giá trị dòng điều khiển khác nhau, IG1, IG2,IG3…nói chung, nếu dịng điều khiển lớn
hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với nhỏ hơn.
Quá trình xảy ra trên đường đặc tính ngược xẽ khơng có gì khác so với trường
hợp dịng điều khiển bằng 0.
1.2.3. Mở, khóa Thyristor
Thyristor có đặc tính giống như diot, nghĩa là chỉ cho phép dịng chạy qua theo
một chiều, từ anot đến catot, va cản trở dòng chayjq ua theoc hiều ngược lại. tuy nhiên
khác với diot, để Thyristor có thể dẫn dịng, ngồi điều kiện phải có điện áp >0 cịn cần
thêm một số điều kiện khác . Do đó Thyristor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển
để phân biệt với diot là phần tử khơng điều khiển được.
a.Mở khóa Thyristor
Khi được phân cực thuận, >0, Thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ nhất, có
thể tăng áp anot-catot cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất , điện trở tương
đương trong mạch anot-catot sẽ giảm đột ngột và dong qua Thyristor sẽ hoàn toàn do
mạch ngoài xác định. Phương pháp này trong thực tế không được áp dụng so nguyên
nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng có thể tăng được điên áp đến
giá trị, vả lại như vậy sẽ xảy ra trường hợp Thyristor tự mở ra dưới tác dụng của xung
điện áp một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước.

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 6


Đồ Án Điện Tử Công Suất

Phương pháp thứ hai, phương pháp được áp dụng thực tế, là đưa xung dòng điện
có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển ca catot. Xung dòng điện điều khiển sẽ
chuyển trạng thái Thyristor từ trỏ kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anotcatot nhỏ. Khi đó nếu dịng qua anot-catot lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dịng duy

trì( thì Thyristor sẽ tiếp tục ở trạng thái mở dẫn dịng mà khơng cần đến sự tồn tại của
xung điều khiển. Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các Thyristor bằng các xung
dịng có độ rộng xung nhất định, do đó cơng suất của mạch điều khiển có thể rất nhỏ, so
với cơng suất của mạch lực mà Thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dong điện.
b. Khóa Thyristor
Một Thyristor đang dẫn dịng sẽ trở về trạng thái khóa( điện trở tương đương
mạch anot-catot tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị dịng duy trì . Tuy
nhiên để Thyristor vẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi điện áp anot-catot lại
dương(), cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hồn tồn tính
chất cản trở dịng điện của mình.
Khi Thyristor dẫn dịng theo chiều thuận, >0, hai lớp tieps giáp J1, J3 phân cực
thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân cực
ngược. vì vậy mà dịng điện có thể chạy qua ba lớp tiếp giáp J1,J2,J3. Để khóa Thyristor
lại cần giảm dịng anot-catot về dưới mức dịng duy trì() bằng cách hoặc là đổi chiều
dòng điện hoặc áp một điện áp nguợc lến giữa nanot va catot của Thyristor. Sau khi
dòng về bằng không phải đặt một điện áp ngược lên anot-catot(<0) trong một khoảng
thời gian tối thiểu gọi là thời gian phục hồi , chỉ sau đó Thyristor mới có thể cản trở dòng
điện theo cả hai chiều. trong thời gian có một dịng điện ngược chạy giũa catot va anot.
Dịng điện ngược này di chuyển cá điện tích ra khỏi tiếp giáp J2 và nạp điện cho tụ điện
tương đương của hai tiếp giáp J1,J3 được phục hồi. Thời gian phục hội phụ thuộc vào
lượng lượng điện tích di chuyển ra ngoài cấu trúc bán dẫn của Thyristor và nạp điện cho
tieeos giáp J1,J3 đến điện áp ngược tại thời điểm đó.
Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trong của Thyristor. Thời
gian phục hồi các ddnhj dải tần số làm việc của Thyristor. Thời gian phục hồi có giá trị
cỡ 5-50 đối với các Thyristor tần số cao và cỡ 50-200đối với các Thyristor tần số thấp.
GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 7

Đồ Án Điện Tử Công Suất

1.2.4. Các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển Thyristor
Quan hệ giữa điện áp trên cực điều khiển và catot với dòng điện đi vào cực điều
khiển các định các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển Thyristor. Với cùng một loại
Thyristor nhà sản xuất sẽ cung cấp một họ đặc tính điều khiển như hình 1.3

Hình 1.3: yêu cầu đối với xung điều khiển của Thyristor

Trên đó, có thể thấy được đặc tính giới hạn về điện áp và dịng điện nhở nhất ứng
với một nhiệt độ môi trường nhất định mà tín hiệu điều khiển phải đảm bảo để chắc chắn
mở được một Thyristor. Dòng điều khiển đi qua tiếp giáp p-n giữa cực điều khiển và
catot cũng là phát nóng tiếp giáp này. Vì vậy tín hiệu điều khiển cũng phải bị hạn chế về
công suất. công suất giới hạn của tín hiệu điều khiển phụ thuộc độ rộng cảu xung điều
khiển. tín hiệu điều khiển là một xung có độ rộng càng ngắn thì cơng suất cho phép có
thẻ càng lớn.

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 8


Đồ Án Điện Tử Công Suất

Hinh 1.4: sơ đồ khuếch đại cung điều khiển Thyristor
Khóa Thyristor T được điều khiển bởi một xung có độ rộng nhất định, đóng cắt
điện áp phía sơ cấp biến áp xung. Xung điều khiển đưa đến cực điều khiển của Thyristor
ở phía bên cuận thứ cấp. như vậy mạch lực được cách ly hoàn toàn với mạch điều khiển
bởi biến áp xung. Điện trở R hạn chế dòng qua tranzito và xác định nội trở của nguồn tín
hiệu điều khiển. diot D1 ngắn mạch cuận sơ cấp biến áp xung khi tranzito T khóa lại để

chống quá áp trên T. diot D2 ngăn xung âm vào cực điều khiển. diot D3 mắc song song
với cực điều khiển và có thể song song với tụ C có tác dụng giảm quá áp trên tiếp giáp
G-K khi Thyristor bị phân cực ngược.
1.2.5. Các thông số cơ bản của Thyristor
Các thông số cơ bản là các thông số dựa vào đó ta cáo thể lựa chọn một Thyristor
cho một ứng dụng cụ thể nào đó.
a.Giá trị tring bình cho phép chạy qua Thyristor,
Đây là giá trị dịng trung bình cho phép chạy qua Thyristor với điều kiện nhiệt đọ
của cấu trúc tinh thể bán dẫn của Thyristor không vượt quá một quá trị cho phép. Trong
thực tế dòng điện cho phép chạy qua Thyristor còn phụ thuộc vào điều kiện làm mát và
nhiệt độ môi trường. Thyristor có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn và làm
mát tự nhiên. Ngồi ra Thyristor có thể được làm mắt cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng
nước để tải nhiệt lượng tỏa ra nhanh hơn. Vấn đề làm mát van bán dẫn sẽ được để cập pử
phần sau, tuy nhiên có thể lựa chọn dịng điện theo cá điều kiện làm mát theo kinh
nghiệm sau:
-Làm mát tự nhiên
-làm mát cưỡng bức bằng quạt gió
-làm mát cưỡng bức bằng nước
b. Điện áp ngược cho phép lớn nhất,
Đây là giá trị điện áp ngược lơn nhất cho phép đặt lên Thyristor. Trong các ứng
dụng phải dảm bảo rằng, tại bắt kỳ thời điểm nào điện áp giữa anot-catot luôn nhở hơn
GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 9


Đồ Án Điện Tử Cơng Suất

hặc bằng . Ngồi ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là phải
được chọn ít nhất là bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên cơ sở

đó.
c.Thời gian phục hồi tính chất khóa Thyristor
Đây là thời gian tối thiều phải đặt điện áp âm lên giữa anot-catot của Thyristor sau
khi dòng anot-catot đã về bằng khơng trước khi lại có thể có điện áp dương mà Thyristor
vẫn khóa. Thời gian phục hồi là một thong số rất quan trọng của Thyristor, nhất là trong
các bộ nghịch lưa phụ thuộc hoặc nghịc lưa độc lập, trong đó phải ln đảm bảo rằng
thời gian dành cho q trình khóa bằng 1,5 đến 2 lần .
d.Tốc độ tăng điện áp cho phép
Thyristor được sử dụng như một phần tử có điều khiển, nghĩa là mặc dù được
phân cực thuận ( nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dịng điện
chạy qua.Khi thyristor được phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J2
như được chỉ ra ở hình 1.5

Hình 1.5. Hiệu ứng tác dụng như dịng điều khiển.

Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nê độ dày của nó nở ra, tạo ra vùng khơng
gian nghèo điện tích, cản trở dịng điện chạy qua. Vùng khơng gian này có thể coi như
một tụ điện có điện dung . Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dịng điện của tụ có
thể có giá trị đáng kể, đóng vai trị như dịng điều khiển. Kết quả là thyristor có thể mở
ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G.

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 10


Đồ Án Điện Tử Công Suất

Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với thyristor
tần số cao. Ở thyristor tần số thấp, du/dt vào khoảng 50 đến 200; với các thyristor có tần

số cao du/dt có thể đạt 500 đến 2000V/.
e.Tốc độ tăng dịng cho phép di/dt.
Khi thyristor bắt đầu mở, khơng phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của
nó đều dẫn dòng đồng đều. Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm, gần với cực
điều khiển nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên tồn bộ tiết diện. Nếu tốc
độ tăng dịng q lớn, có thế dẫn đến mật độ dịng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn,
sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thể dẫn đến hỏng cục bộ,từ dẫn đến hỏng toàn bộ
tiết diện tinh thể bán dẫn.
Tốc độ tăng dòng cũng phân biệt thyristor tần số thấp, có di/dt cỡ 50 đến 100A/,
với các thyristor tần số cao di/dt cỡ 500 đến 2000A/. Trong các ứng sụng phải ln đảm
bảo tốc độ tăng dịng cho phép. Điều này đạt được nhờ mắc nối tiếp các van bán dẫn với
các cuận kháng trị số nhỏ. Cuận kháng có thể có lõi khơng khí hoặc lõi ferit. Có thể dùng
những xuyến ferit lồng lên thanh dẫn để tạo các điện khác giá trị khác nhau, tùy theo số
lượng xuyến sử dụng. Xuyến ferit tạo nên các điện kháng có tính chất của cuận kháng
bão hịa. Khi dịng điện qua thanh dẫn nhỏ, điện kháng sẽ có giá trị lớn để hạn chế tốc độ
tăng dòng. Khi dòng điện lớn, cuộn kháng bị bão hòa, điện cảm gần như bằng không.
Như vậy cuộn kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức qua thanh
dẫn
1.2.6.Một số hình ảnh thực tế về thyristor

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 11


Đồ Án Điện Tử Cơng Suất

Hình 1.6. Một số thyristor

1.3. Giới thiệu mạch điều áp xoay chiều ba pha

1.3.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thốngđiều chỉnh điện áp
Điện áp đặt đưa vào bộ điều khiển, điện áp ra điều khiển góc mở thytistor để điều
chỉnh điện áp đặt vào động cơ. Tốc độ động cơ có tỉ lệ với bình phương điện áp nên khi
điện áp thay đổi thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi.
1.3.2 Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha
Các bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều dùng để chỉnh giá trị điện áp xoay chiều với
hiệu suất cao. Để điều chỉnh điện áp pha có thể sử dụng ba sơ đồ.
Bộ điềuáp xoay chiều chủ yếu sử dụngcác thyristor mắc ngược hoặc Triac để thay
đổi giá trị điện áp trong nửa chu kỳ của điện áp lưới theo góc mở α, từ đó đổi được giá
trị hiệu dụng của điện áp ra tải.
- Nối tam giác ba bộ điều áp một pha.
- Nối hỗn hợp ba thyristo và ba điode.
Dưới đây trình bày các bộ điều chỉnh điện áp dòng xoay chiều hay sử dụng nhất.
a. Sơ đồ đấu sao có trung tính.

Hình 1.7: Sơ đồ nối sao trung tính.
So với sơ đồ này thì các cặp thyristor mắc ngược nhau làm độc lập với nhau. Ta
có thể thực điều khiển riêng biệt từng pha, tải có thể đối xứng hoặc khơng đối xứng. Do
GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 12


Đồ Án Điện Tử Cơng Suất

đó điệp áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn vị điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha.
Các van đấu ở trung tính nên số điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha. Các van đấu
ở điện trung tính có tồn tại dịngđiện điều hồ bậc cao, khi góc mở các van khác khơng
có dịng tải gián đoạn và loại sơ đồ nối này chỉ thích hợp với các loại tải 3 pha có 4 đầu
dây ra .

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 13


Đồ Án Điện Tử Công Suất

b. Sơ đồ tải đấu tam giác

Hình 1.8: Sơ đồ tải đấu tam giác.
Sơ đồ này có nhiều điều khác so với sơ đồ có dây trung tính. Ở đây dịng điện
chạy giữa các pha với nhau nên đồng thời phải cấp xung điều khiển cho 2 thyristor của 2
pha 1 lúc. Việc cấp xung điều khiển như thế đơi khi gặp khó khăn trong mạch điều
khiển, ngay cả khi việc đổi thứ tự pha nguồn cũng có thể làm cho sơ đồ khơng hoạt
động.
c. Sơ đồ đấu sao khơng trung tính.

Hình 1.9: Sơ đồ đấu sao khơng trung tính.

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 14


Đồ Án Điện Tử Công Suất

Hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha nối sao không dây trung
tính là sự hoạt động tổng hợp của các pha. Việc điều chỉnh điện áp bộ điều áp 3 pha
khơng dây trung tính phụ thuộc vào góc α.

Trường hợp tổng quát sẽ có 6 đoạn điều khiển và 6 đoạn điều khiển không đối
xứng, đối xứng khi cả 3 Thyristor dẫn, không đối xứng khi 2 Thyristor dẫn.
Việc xác định điện áp phải căn cứ vaod chương trình làm việc của các Thyristor.
Giả thiết rằng tải đối xứng và sơ đồ điều khiển đảm bảo tạo ra các xung mở và góc mở
lệch nhau
Khi đóng hoặc mở 1 Thyristor của một pha nào đó sẽ làm thay đổi dịng của 2 pha
còn lại, ta lưu ý rằng trong hệ thống điện áp 3 pha hoặc chỉ qua 2 pha. Khơng có trường
hợp chỉ có 1 pha dẫn dịng.
Khi dịng chảy qua cả 3 pha thì điện áp trên mỗi pha đúng bằng điện áp pha.
Khi dòng chảy qua cả 2 pha thì điện áp trên pha tương ứng bằng 1/2 điện áp dây.
*Sau đây ta phân tích sự hoạt động của sơ đồ qua các trường hợp sau với tải
R:
Mạch hoạt động theo quy luật chung:
- Trường hợp 3 van dẫn: Mỗi pha có 1 van dẫn => Utải = Unguồn.
- Trường hợp 2 valve dẫn: Có 2 pha có van dẫn và 1 pha khơng van nào dẫn => điện
áp pha tải = 1/2 điện áp dây nguồn và có 1 pha khơng có điện áp.
-Trường hợp khơng có van dẫn: Tồn bộ tải bị ngắt khỏi nguồn (Utải = 0).
Các trường hợp dẫn của van phụ thuộc vào góc điều khiển α. Gồm 3 vùng điều
khiển:

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 15


Đồ Án Điện Tử Cơng Suất

•Với 0 α 60

Trong vùng này có hai trạng thái kế tiếp nhau đó là 3 van dẫn và 2 van dẫn

Giai đoạn 3 van dẫn dài 60
Giai đoạn 2 van dẫn bằng chính
Góc dẫn van =(180)
Van ngắt khi điện áp nguồn bằng không.
Giá trị hiệu dụng của dòng điện áp ra tải

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 16


Đồ Án Điện Tử Cơng Suất

• Với 60

Vùng điều khiển này ln chỉ có 2 van dẫn và khơng phụ thuộc vào góc điều
khiển
Van trong cùng nhóm (chẵn hoặc lẻ) thay nhau dẫn, van sau mở thì van trước mới
khóa lại. lúc đó góc dẫn của van .
Điện áp ra tải khơng cịn đoạn bằng điện áp nguồn mà chỉ có thể =
Giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 17


Đồ Án Điện Tử Cơng Suất

• Với 90

Trong vùng điều khiển này có 2 trạng thái thay thế nhau là 2 van dẫn và không
van nào dẫn.
Van không dẫn liên lục mà dẫn thành 2 giai đoạn xen giữa một khoảng nghỉ.
Van ngắt dòng mỗi khi điện áp dây nguồn vê 0V.
Giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 18


Đồ Án Điện Tử Công Suất

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH LỰC
2.1 Giới thiệu và thiết kế mạch lực
a. Giới thiệu mạch lực
Các bộ điều áp xoay chiều (ĐAXC) dùng để đóng ngắt hay thay đổi điện áp xoay
chiều ra tải từ một nguồn xoay chiều cố định, trong đó tần số điện áp ra bằng tần số điện
áp nguồn.
ĐAXC dùng van bán dẫn có đầy đủ ưu điểm của những mạch công suất sử dụng
kỹ thuật bán dẫn như: dễ điều chỉnh và tự động hóa, làm việc ổn định, phản ứng nhanh
với các đột biến điều khiển, độ tin cậy và tuổi thọ cao, kích thước gọn và dễ thay thế,
thích hợp vớ q trình hiện đại hóa, tập trung hóa các q trình cơng nghệ….
Nhược điểm chung và cơ bản nhất của ĐAXC là điện áp ra tải khơng sin trong
tồn dải điều chỉnh, điều chỉnh càng sâu – càng giảm điện áp ra thì độ méo càng lớn, tức
là thành phần sóng hài bậc cao cũng càng lớn. Nhưng vì phạm vi của đề án này là khởi
động động cơ, thời gian khởi động chỉ trong khoảng 3 ÷ 30s và tải là động cơ bơm nên ta
có thể chấp nhận được phương án này.
Do tải yêu cầu là dòng điện xoay chiều nên van bán dẫn ở đây có thể dùng là:

- Triac, đây là van bán dẫn duy nhất cho phép dòng điện chảy theo cả hai chiều. Tuy
nhiên loại van này thường có cơng suất nhỏ và giá thành tương đối cao.
- Ghép hai van chỉ cho phép dẫn một chiều bằng cách đấu song song ngược nhau, lúc
đó mỗi valve đảm nhận một chiều của dịng tải. Bằng cách này có thể ghép hai
thyristor với nhau hay một thyristor với một diode. Trong đề án này, ta chọn theo
phương pháp là ghép 6 Thyristor theo kiểu song song ngược và đây cũng là
phương pháp thông dụng nhất hiện nay.
Nguyên tắc điều chỉnh của ĐAXC là điều chỉnh góc mở của valve bán dẫn. Các
valve làm việc với điện áp xoay chiều nên được khóa tự nhiên bằng điện áp nguồn và
cũng chịu ảnh hưởng của lưới điện đến valve, kiểu điều khiển valve là dịch pha điểm
phát xung so với pha nguồn xoay chiều, tức là sử dụng mạch điều khiển xung - pha.
*Trong đồ án này em sẽ sử dụng 6 Thyristor theo kiểu song song ngược

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 19


Đồ Án Điện Tử Cơng Suất

2.2 Tính tốn mạch lực

Hình 2.1Mạch động lực và các thiết bị bảo vệ của điện áp xoay chiều ba pha
a) Tính tốn thơng số van
Dòng điện mỗi pha của phụ tải:

Điện trở pha của tải :

Chọn van
Chọn chỉ tiêu dòng van dựa vào trụ số trung bình (theo bảng 2.2 –hướng dẫn thiết kế

điện tử cơng suất) ta có:
A
Vậy cần chon thyristor với trị số dòng điện cỡ:
Chỉ tiêu điện áp, vẫn theo bảng 2.2 ta có :

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 20


Đồ Án Điện Tử Công Suất

Vậy cần chon thyristor chịu được khoảng điện áp :

Tra phụ lục 2 chọn loại thyristor T10-50 cấp điện áp 12 với và V, và tham số điều
khiển =4V, =150mA, nên điện trở tương đương của cực điều khiển là:

Un

1200
(V)

I tb

50
(A)

Ig

Ug

0,15

4

(A)

(V)

Ir

du dt

di dt

t ph

200

40

70

6
(mA)

(V/ µs
)

(A/

µs

)

(

µs

)

b) Mạch bảo vệ van
Mạch bảo vệ van gồm các phần tử , R, C tham số của Thyristor T10-50 có , V, du/dt là
cấp 4, du/dt là cấp 2: du/dt = 200 V/; di/dt = 40 A/.
Chọn độ dự trữ điện áp , điện áp tối đa cho phép đặt lên van khi hoạt động là:

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 21


Đồ Án Điện Tử Cơng Suất

-

Bảo vệ q dịng:
Vì van được mắc trực tiếp vào lưới điện mà không qua biến áp do đó cần phải có
cuộncảm để bảo vệ cho van trong trường hợp quá dòng. Tốc độ di/dt sẽ lớn nhất
khi dòng qua van là cao nhất. Giả sử điện áp lưới không ổn định mà dao động
trong khoảng ±10%, vậy lúc này sẽ tương đương:

Hinh2.2Mạch bảo vệ q dịng thyristor
-

Vì tải thuần trở nên cần có điện cảm La bảo vệ tốc độ tăng dòng qua thyristor

Tốc độ tăng dòng cho phép phụ thuộc vào điện áp đặt lên van và chỉ đúng với trị số tra
cứu nếu điện áp trên van khi làm việc nhỏ hơn 67% điện áp lớn nhất cho phép. Trường
hợp này điện áp lớn nhất khi làm việc
= 342,2 V, điện áp tối đa cho phép đặt lên van 1200V, vậy có quan hệ:

-Vậy tốc độ tăng dòng cho phép được lấy bằng trị số tra cứu di/dt = 40 A/.
Từ đây có trị số điện cảm La để bảo vệ bằng:

Chọn điện cảm bảo vệ = 10

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 22


Đồ Án Điện Tử Công Suất


Bảo vệ quá áp:

Hinh 2.3: Mạch RC bảo vệ quá điện áp của Thyristor

Hệ số quá áp khi làm việc:

Tra đồ thị 1.21 với k = 2,34 có C* = 0,13; ;
Dịng qua tải, cũng chính là dịng qua van, có giá trị tức thời lớn nhất bằng:

Suy ra tốc độ giảm dòng nhanh nhất khi van khóa lại:

Dùng đồ thị hình 1.28 sách hướng dẫn thiết kế điện tử cơng suất, ta có điện tích
tích lũy trong van là: Q=45A, vậy:
-Tụ C

Chọn C =0,99nF

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 23


Đồ Án Điện Tử Cơng Suất

-Điện trở R

Vì =+R, cần chọn điện trở bảo vệ trong phạm vi 4Bảng thông số:
Cuộn cảm

L = 10 (H)

Tụ điện
Điện trở

C = 0,99 (

R =15

GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 24


Đồ Án Điện Tử Công Suất

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG

3.1 Yêu cầu chung của mạch điều khiển:
- Phát xung điều khiển đến các van lực theo đúng thứ tự pha và theo đúng góc điều
khiển α cần thiết.
- Đảm bảo phạm vi điều khiển α min ÷ αmax tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra
tải của mạch lực.
- Cho phép bộ điều áp làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải yêu cầu.
- Góc điều khiển mọi van khơng được lệch q (1 ÷ 3)o điện.
- Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động cả về
giá trị điện áp và tần số.
- Có khả năng chống nhiễu cơng nghiệp tốt.
- Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1ms.
- Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van phù hợp để mở chắc chắn van.
3.2. Mạch điều khiển
► Sơ đồ khối mạch điều khiển

Đồng Pha

Răng cưa

So sánh

Tạo dạng xung

Phát xung

dk

Hình 3.1. Sơ đồ mạch điều khiển
Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực chỉnh lưu được đưa đến mạch đồng pha.
Đầu ra của mạch đồng pha có các điện áp thường là dạng hình sin, cùng tần số và có thể
lệch pha một góc xác định so với điện áp nguồn, gọi là điện áp đồng pha. Các điện áp
đồng pha được đưa vào mạch phát điện áp răng cưa. Đầu ra của điện áp răng cưa được
GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp

Page 25