Đồ án chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển

ĐỒ ÁN
(CHỈNH LƯU CẦẦU BA PHA BÁN ĐIỀẦU KHIỂN)

+

HỌC VIỆN HẢI QUẦN
KTP20B

LỜI NÓI ĐẦU
Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng
dụng các linh kiện bán dẫn công suất làm việc chế độ chuyển
mạch vào quá trình điều khiển và biến đổi điện năng.
Hiện nay, các thiết bị điện tử công suất chiếm hơn 30% trong
các dây chuyền và thiết bị hiện đại, đặc biệt trong trang bị kỹ
thuật Hải Quân. Từ đó đã đặt ra yêu cầu học tập, nghiên cứu và
hiện đại hóa kiến thức về điện tử công suất đối với tất cả các kỹ
sư ngành Điện – Điện tử và Kỹ thuật điện.
Đồ án “Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển” này được thực
hiện bởi các học viên nhóm 6 – KTP20B – Tiểu đoàn 4 – Học
Viện Hải Quân. Đồ án được chia làm 4 chương. Nội dung các
chương gồm:
- Chương I: Giới thiệu về bộ biến đổi điện tử công suất
“Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển”.
- Chương II: Tính toán và thiết kế mạch lực, mạch bảo
vệ.
- Chương III: Tính toán và thiết kế mạch điều khiển.
- Chương IV: Mô phỏng mạch trên phần mền PSYM.
Đồ án “Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển” này được thực
hiện nhằm phục vụ việc học tập của học viên chuyên ngành Tên
lửa – Pháo tàu với mong muốn có được một đồ án chuyên sâu về
mạch “ Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển”
Mặc dù đã có nhiều cố gắng song tài liệu và khả năng còn hạn
chế nên không tránh khỏi những thiếu sót nhất định trong đồ
án. Chúng tôi mong muốn và hoan nghênh sự đóng góp của bạn
đọc.
Ý kiến đóng góp xin gửi qua email: [email protected]
Đồ án “Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển” này được
thực hiện bởi
Nhóm 6 – KTP20B:
-

Ngô Minh Lành
Trần Công Nghĩa
Vương Anh Đức
Nguyễn Duy Quang
1

-

Phạm Viết Trọng
Nguyễn Minh Vương
Lê Văn Giầu
Tạ Chí Tuyên
CÁC TÁC GIẢ

2

CHƯƠNG I:
GIỚI THIỆU VỀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG
SUẤT “CHỈNH LƯU CẦU BA PHA BÁN ĐIỀU
KHIỂN”
1: Vấn đề chung.

Mạch chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển có nhiệm vụ biến đổi
năng lượng dòng điện xoay chiều ba pha thành năng lượng
dòng điện một chiều.
Trong quá trình hoạt động của mạch chỉnh lưu cầu ba pha bán
điều khiển luôn có những ưu và nhược điểm riêng. Từ đó, đặt ra
yêu cầu cần phải thiết kế mạch sao cho hợp lý và tối ưu nhất để
đạt được hiệu suất cao nhất trong quá trinh hoạt động của
mạch.

2. Phân tích sơ đồ mạch.
Với mạch chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển thì chỉ có một
kiểu đấu duy nhất là nhóm Thyristor mắc chung catot.
Sơ đồ mạch:

D1

Ua U b U c

T1

D2

T2

D3

T3

Rd

L
d

3

Mạch chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển với nguồn cấp vào là
nguồn 3 pha xoay chiều, mỗi pha lệch nhau một góc 120 độ.
Nguồn điện ba pha:

Vbc

Vcn

-Van

-Vbn

30

Vab

Van

120
Vbn

Vac

-Vcn

Mạch van được đấu theo sơ đồ cầu, với một nhóm Thyristor đấu
catot chung và một nhóm Diode đấu anot chung. Trong đó:
- Nhóm van Thyristor đấu catot chung, gồm:






3 Thyristor gồm T1 đến T3
T1 được mắc với Ua
T2 được mắc với Ub
T3 được mắc với Uc
Để điều khiển nhóm Thyristor, ta đưa vào một góc điều
khiển .

- Nhóm van Diode đấu anot chung.
 3 Diode gồm T1 đến T3
 D1, D2, D3 được mắc thẳng hàng với T1, T2, T3
 Đây là nhóm van mở tự nhiên. Trong mạch chỉnh lưu cầu
ba pha thì diode được mở tự nhiên khi điện áp tại catot của
các diode là âm nhất.
- Cuộn cảm Ld có tác dụng nạp và phóng tại thời điểm có xung
kích mở đưa vào cực điều khiển của các Thyristor.
- Điện trở Rd có tác dụng ngăn dòng tự cảm phát sinh trong
cuộn cảm Ld khi cuộn dây phóng điện đồng thời ngăn dòng điện
một chiều trở về nguồn.
4

5

Nguyên lý hoạt động:
Trong đồ án này, chúng tôi chỉ xét trường hợp góc điều

khiển  = 900.

Khi mạch làm việc, các Thyristor trong nhóm catot chung
được mở theo góc mở  còn các Diode trong nhóm anot chung
thì mở tự nhiên theo điện áp nguồn vào theo thứ tự khi điện áp
của các pha tương ứng là âm nhất.

6

Xét tại thời điểm 1, lúc này Ua có điện áp dương nhất so với
Ub và Uc, điện áp đặt lên anot T1 là dương nhất, nhưng vì chưa có
góc điều khiển  (Góc điều khiển α là góc tính từ thời điểm mở
tự nhiên đến thời điểm tiristo được phát xung vào cực điều
khiển để mở van. Thời điểm mở tự nhiên là điểm mà ở đó nếu
van là điôt thì nó bắt đầu dẫn) nên T1 vẫn chưa mở.
Tại thời điểm 2, ta đưa xung kích mở vào cực điều khiển
của T1 (=900) thì van T1 được mở, dòng điện đi theo chiều:
Ua  T1  Ld  Rd  D3  Uc
Đồng thời cuộn cảm Ld cũng được nạp với cực tính dương ở
phía trên. T1 sẽ tiếp tục dẫn mặc dù lúc này điện áp của pha U a
không phải là dương nhất so với hai pha còn lại. Và D 3 đã mở tự
nhiên tại thời điểm 1 vì tuân theo luật dẫn của nhóm van đấu
anot chung (Van có khả năng dẫn là van có điện thế catốt âm
nhất trong nhóm, nhưng nó chỉ dẫn được nếu điện thế này âm
hơn điện thế điểm anôt chung) và đồng thời điện áp đặt lên
catot của D3 là âm nhất (Uc) nên D3 sẽ dẫn từ thời điểm 1 đến 3.
Xét tại thời điểm 3. Lúc này, van T1 vẫn tiếp tục dẫn mặc
dù điện áp của pha Ua không phải là dương nhất và dẫn cho đến
khi góc điều khiển  = 90 độ. đồng thời điện áp của pha U a là âm
nhất nên lúc này D3 bị khóa và D1 (3 đến 5) mở tự nhiên. Khi đó
trong mạch sẽ xuất hiện các giai đoạn hai van mắc thẳng hàng
dẫn đồng thời:
θ 1 ÷ θ 2 :T 3 Đ3

dẫn;

θ 3 ÷ θ 4 :T 1 Đ 1
θ 5 ÷ θ 6 :T 2 Đ 2

dẫn;
dẫn;

Và trong các giai đoạn này điện áp Ud = 0 vì góc điều khiển
 =90 độ (áp dụng công thức Ud = Ud0.cos với cos = 0). Và
dòng điện id chảy quẩn trong mạch mà không thể trả về nguồn
nên năng lượng được giữ lại ở tải.
Trong giai đoạn 3 đến 4, cuộn cảm Ld phóng điện với cực
tính dương ở phía dưới theo chiều:
7

(+)  Rd  D1  T1  (-)
* Trong giai đoạn này, T1 dẫn được là nhờ vào cuộn cảm L d
phóng năng lượng.
Xét tại thời điểm 4:
Khi đưa xung kích mở vào thì làm cho T 1 bị khóa và T2 bắt
đầu dẫn, dòng điện đi theo chiều:
U b  T 2  Ld  R d  D 1  U a
Đồng thời lặp lại việc nạp điện cho cuộn cảm Ld với cực tính
dương ở phía trên.
Tại thời điểm 4 đến 6 thì T2 dẫn và thời điểm 3 đến 5 thì D1
dẫn, tại thời điểm 5 đến 6 thì T2 và D2 dẫn đồng thời.
Đối với T3 và D3 thì ta cũng giải thích tương tự như trên.

Dưới đây là chiều của dòng điện trong các giai đoạn :
Trước thời điểm 1 : Uc  T3  Ld  Rd  D2  Ub
Từ 1 đến 2

: (+)  Rd  D3  T3  (-)

Từ 2 đến 3

: U a  T 1  Ld  R d  D 3  U c

Từ 3 đến 4

: (+)  Rd  D1  T1  (-)

Từ 4 đến 5

: Ub  T2  Ld  Rd  D1  Ua

Từ 5 đến 6

: (+)  Rd  D2  T2  (-)

8

* Các giai đoạn  1 2,  3 4 và  5 6 là giai đoạn Ld phóng năng
lượng, còn các giai đoạn trước thời điểm  1,  2 3 và  4 5 thì cuộn
cảm Ld nạp năng lượng.

3. Giới thiệu các van được sử dụng.
Trong mạch chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển người ta
sử dụng hai loại van:
 Van Diode
 Van Thyristor
3.1. Cấu tạo, ký hiệu, đặc tuyến V-A.
- Van thyristor:
+ Cấu tạo:
Đối với van thyristor thì trong van toàn bộ các bán dẫn đều
là thyristor.
+ Ký hiệu: T
+ Đặc tuyến V-A: Biểu diễn quan hệ giữa dòng điện đi qua
hai cực của linh kiện và điện áp đặt giữa hai cực đó. Các giá trị
điện áp và dòng điện này được hiểu là giá trị áp và dòng một
chiều không đổi.

_

UN

Đặc tính V-A ngõ ra: quan hệ giữa điện áp và dòng điện đi
qua hai cực anốt, catốt. Đặc tính ngõ vào quan hệ giữa điện áp
và dòng cổng G (cổng điều khiển).
3

2 IT
G

+

I
+

IG3>IG2>I
G1 > 0
4

U
A
K

1

Đặc tuyến V - A của Thyristo

Đặc tính V -A ngõ ra gồm 3 nhánh:

UB
O

_

U

9

+ Nhánh thuận (1): Thyristo ở trạng thái dẫn điện. Độ sụt
áp giữa anốt – catốt nhỏ không đáng kể.

+ Nhánh nghịch (3): ứng với trạng thái nghịch tương tự
như điốt.
+ Nhánh khóa (2): ứng với trạng thái khóa. Nếu dòng i G =
0 thì dạng nhánh khóa tương tự như nhánh nghịch. Thay vì điện
trở rR thì ở đây là điện trở rD (differential block resistance).
Tương tự ta có điện áp đóng u BO thay vì uBR. Khi điện áp đạt
đến giá trị uBO, Tiristo không bị phá hỏng mà sẽ bị đóng
(chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn điện). Khi i G
thay đổi, tùy thuộc vào độ lớn của iG mà giá trị của điện thế
khóa thay đổi theo (điện thế khóa giảm khi i G tăng). Hiện tượng
Tiristo dẫn điện do tác dụng điện áp vượt quá u BO (iG=0) là sự
cố gây ra do quá điện áp xuất hiện trên lưới

- Van diode:
+ Cấu tạo: Trong nhóm van diode thì được toàn bộ các linh
kiện bán dẫn điều là diode.
+ Ký hiệu: Van D.
+Đặc tuyến V-A:
Đặc tính V-A của Điốt được vẽ ở hình bê dưới gồm hai
nhánh:
- Nhánh thuận: tương ứng với trạng thái dẫn điện. Các
thông số quan trọng của nó là điện áp u (TO) (turn on) và điện
10

trở rF (differential forward resistance) được xác định tại một
điểm tĩnh nào đó của đặc tính.
rF 

du F
diF

- Nhánh nghịch: tương ứng với trạng thái nghịch, Điốt
không dẫn điện. Các thông số quan trọng của nó là điện trở r R
(differential reverse resistance) xác định tại một điểm nào đó
của đặc tính V-A.

u, V
i, A

Đặc tính V-A

Điện áp
đánh
thủng
uB
r

Dòng
điện rò

uT
O

Điện áp
rơi
i, A

Đặc tính V-A lý
tưởng

du R
diR

u, V

rR 

Đặc tuyến V - A của Điốt

và điện áp đánh thủng ở chiều nghịch u(Br) (Breaking).
Sau khi điện áp vượt qua giá trị u(Br) thì giá trị uR giảm đi rất
nhiều lần. Giá trị dòng sau đó sẽ phụ thuộc chủ yếu vào điện áp
và điện trở mạch có chứa Điốt trong đó. Nếu như dòng tăng quá
lớn Điốt sẽ bị hỏng.
3.2. Phương pháp mở van.
Đối với từng loại van thì cũng có từng điều kiện mở van
khác nhau.
- Van thyristor: Để mở được van thyristor, ta cần phải có
hai điều kiện:
11

+ Một là: Điện áp trên van phải dương. Có nghĩa là U AK > 0.
+ Hai là : Có một dòng điều khiển đủ mạnh tác động vào
cực điều khiển của thyristor.
Trong mạch chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển, để mở
được van thyristor ta cần phải có hai điều kiện trên. Tuy nhiên
ta có thể điều chỉnh thời gian mở van bằng việc thay đổi góc
điều khiển .
- Van diode : Để mở van diode, ta chỉ cần một điều kiện là
UAK > 0.
+ Đối với nhóm van diode đấu catot chung thì van có khả
năng dẫn là van có điện thế anot dương nhất trong nhóm,
nhưng nó chỉ dẫn được nếu điện thế này dương hơn điện thế
điểm catot chung.
+ Đối với nhóm van diode đấu anot chung thì van có khả
năng dẫn là van có điện thế catot âm nhất trong nhóm, nhưng
nó chỉ dẫn được nếu điện thế này âm hơn điện thế điểm anot
chung.
Trong mạch chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển trong đồ
án trên, vì mạch sử dụng nhóm van diode đấu anot chung nên
nhóm van này chỉ mở tự nhiên khi có điện áp đặt lên catot của
diode tương ứng là âm nhất.

3.3. Ưu, nhược điểm, công dụng.
- Đối với van thyristor:
+ Ưu điểm:
 Có thể điều khiển được thời điểm mở thyristor theo ý
muốn.
 Thay đổi được điện áp cấp cho tải nhờ góc điều khiển
 theo công thức Ud = Ud0.cos
 Điện áp lấy ra không phụ thuộc vào sơ đồ mạch van
và điện áp nguồn U2.
+ Nhược điểm:
12

 Tốc độ chuyển mạch chậm.
 Tần số làm việc tương đối thấp.
 Có hiện tượng quá nhiệt.
+ Công dụng:

- Đối với van diode:
+ Ưu điểm:





Tốc độ chuyển mạch nhanh.
Không bị quá nhiệt.
Tiêu hao công suất của nguồn thấp.
Có khả năng chịu được điện áp và dòng điện rất lớn
trong thời gian dài.

+ Nhược điểm:
 Điện áp ra tải là điện áp xác định, không thể thay đổi
được.
 Không thể điều khiển được quá trình đóng mở của
mạch.
+ Công dụng:

4. Tính toán, thiết kế sơ đồ mạch.
Mạch chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển được thiết kế từ
hai nhóm van là nhóm van thyristor đấu catot chung và nhóm
van diode đấu anot chung. Các van thyristor và diode tương ứng
được mắc thẳng hàng với nhau.
13

Nguồn vào là nguồn ba pha Ua,Ub,Uc . mỗi một pha được
mắc với cặp thyristor và diode tương ứng. Ngoài ra, ta còn phải
mắc thêm cuộn cảm Ld và điện trở Rd .

D1

Ua

U b Uc

T1

D2

T2

D3

T3
L
d

Rd

Quy luật điện áp Udα có thể suy ra từ lý luận mạch cầu tương
đương hai mạch chỉnh lưu hình tia nối tiếp:
Chỉnh lưu hình tia ba pha điều khiển gồm Tl, T2, T3 cho điện
áp:
Udα = Ud0 tia.cosα =1,17U2cosα
Chỉnh lưu hình tia ba pha không điều khiển gồm Đ 1 , Đ2 , Đ3
cho điện áp:
Ud0 = Ud0 tia =1,17U2
Vậy tổng lại :
Udα = Ud0 tia.cosα
= Ud0 tia(1+cosα)= 1,17U2 (1+cosα)
Vì chỉnh lưu cầu có Ud0 = 2Ud0
thức trên sang dạng cầu ta có:
U dα U d 0 c ' a u

tia

= 2,34U2 nên quy đổi biểu

1 cos α
1  cos α
2 . 34 U 2
2
2

14

15

Chương II. Tính toán thiết kế mạch lực
1. Sơ đồ mạch lực của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển do
nhóm thiết kế bao gồm các thành phần:
+ Mạch nguồn
+ Mạch công suất
+ Mạch bảo vê ê
a) Mạch nguồn:

- Cấu tạo
+ Nguồn điê nê xoay chiều 3 pha, mỗi pha lê êch nhau 120o; Uv =
220v;
+ Máy biến áp 3 pha mắc hình sao với:
Số vòng dây quâ nê sơ cấp: Np
Số vòng dây quâ nê thứ cấp: Ns
- Chức năng: cung cấp nguồn điê nê xoay chiều 3 pha với điê ên áp theo
yêu cầu đến mạch công suất.
b) Mạch công suất:
- Cấu tạo:
+ Các Thysistor T1, T2, T3 và các Diode D1, D2, D3.
+ Tải gồm điê nê trở Rd và cuô ên cảm Ld.
- Chức năng: mạch công suất chuyển đổi dòng điê ên xoay chiều 3 pha
thành dòng điê nê 1 chiều.
c) Mạch bảo vê:ê

- Cấu tạo:
16

+ Gồm 1 điê ên trở và 1 tụ điê nê được mắc nối tiếp; mạch này được mắc
song song với tải.
+ Chức năng: tiếp nhâ ên công suất phản kháng từ tải về nguồn, bảo vê ê
các linh kiê ên và nguồn.
2. Tính toán các thông số
- Các thông số đã biết:
+ Điê nê áp đầu vào cuô ên sơ cấp Up =Uv= 220V
+ Điê nê áp trên mạch công suất Udα=9V
+ Chọn góc mở của Thysistor α= 90o
+ Chọn tải Rd=12Ω và Ld=0,1H
- Với mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển, ta có:

U dα 2, 34 U 2

1 cos α
2
U 2

 Điê nê áp đầu ra của cuô ên thứ cấp là:

2 .U dα

100
2, 34 . 1  cosα  13


N 1 U p 220 143



N 2 U 2 100
5
13

Ta có:
Ta chọn số vòng dây của cuô ên sơ cấp: N1 = 143 vòng.
số vòng dây của cuô ên thứ cấp: N2 = 5 vòng.
3. Kết luâ ân
 Mạch lực cần thiết kế có các phần tử:
- Nguồn đầu vào là nguồn xoay chiều 3 pha có điê nê áp Uv=220V
- Máy biến áp nối hình sao 3 pha có Np=143; Ns=5
- Các Thysistor
- Xung mở của Thysistor có góc mở α= 90o; đô ê rô êng xung Tx=120o
- Tải: Rd=12Ω và Ld=0,1H.
- Mạch RC bảo vê ê có Rbv= 100Ω; C= 100µF
 Cách nối dây:
-Nguồn đầu vào xoay chiều 3 pha được nối với cuô ên sơ cấp của máy biến
áp 3 pha mắc hình sao;
- Cuô ên sơ cấp của máy biến áp được nối với cực anot của Thyristor
T1,2,3;
- Tải được mắc song song với Thyristor và Diode;
- Xung điều khiển mở từ các bô ê điều khiển được nối với cực điều khiển
của Thyristor;
17

Chương III. Thiết kế mạch điều khiển
1. Giới thiê âu trung về mạch điều khiển
Nhiê êm vụ: Mạch điều khiển có nhiêm vụ xác định thời điểm mở và khóa
van bán dẫn trong một chu kỳ chuyển mạch

- Nhiê m
ê vụ của từng khâu:
+Khâu tạo tần số; có nhiệm vụ tạo điện áp tưa răng cưa (điện áp đồng
pha) Uđp với tần số theo ý muốn người thiết kế. Tần số này lớn hay bé là do khả
năng chịu tần số của van bán dẫn.
+ Khâu so sánh: có nhiệm vụ xác định thời điểm điện áp tựa bằng
điện áp điều khiển. Tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát
lệnh mở hoặc khóa van bán dẫn.
+ Khâu tạo xung, khuếch đại: có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở
van bán dẫn. Một xung được coi là phù hợp để mở van là xung có đủ công
suất (đủ dòng điện và điện áp điều khiển), cách ly giữa mạch điều khiển với
mạch động lực được sử dụng.

Theo sơ đồ khối trên ta có 2 điện áp :

π

- Điên áp đồng bộ ur vượt trước uAK một góc 2
- Điên áp điều khiển uc là điên áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ theo
2 hướng (dương và âm)

18

- Trên hình vẽ, đường nét đứt là điên áp anôt –catôt Thyristor .Từ điên áp này
người ta tạo ra ur
- Tổng đại số ur + uc được đưa tới đầu vào của khâu so sánh
- Khi ur + uc = 0 ta nhận đc 1 xung đầu ra ở khâu so sánh
uc + Bcosα = 0 do đó α = -arccos = (-uc/B)
- Người ta lấy B = Ucmax nên
π

+ khi uc = 0 thì α = 2
+ khi uc = Ucmax thì α = π
+ khi uc = -Ucmax thì α = 0
- Như vậy khi uc biến thiên tư –Ucmax đến Ucmax thi α biến thiên từ 0 đến π
2. Thiết kế mạch điều khiển
Mạch điều khiển do nhóm thiết kế gồm 3 khâu :
+ Khâu cảm ứng-khuếch đại
+ Khâu so sánh
+ Khâu khuếch đại
a) Khâu cảm ứng-khuếch đại:
Khâu cảm ứng dùng phần tử cảm ứng điện áp Voltage Sensor.

-Cấu tạo gồm 1 ngõ vào âm và 1 ngõ vào dương.
-Nguyên lý hoạt động: Khi điện áp ngõ vào của Sensor có sự thay
đổi sẽ xuất hiện tín hiệu đầu ra. Tín hiệu đầu ra khuếch đại lên so với tín
hiệu đầu vào G0 lần. Dùng để cảm ứng khi có dòng điện dương cấp tới
Thyristor để nó có khả năng mở tự nhiên nhưng chưa dẫn, nó chỉ dẫn khi
có đồng thời cả xung kích mở góc α.
19