Giáo trình Mạch điện tử công suất và ứng dụng - Chương 3: Bộ biến đổi điều khiển pha

khi áp qua zero 
 - bề rộng xung dòng γ > π − α 
 γ là nghiệm của phương trình 
 τ⋅ω
γ−
⋅φ−α=φ−γ+α e)sin()sin( 
i
α γ
wt
u
oo
0
2
u
 Trị hiệu dụng áp ra: 
( )
2 21 1
1 1
2
( 2 sin )
[sin 2 sin 2( )]
oR oT T
U u dt U t d t
U
α γ
π
α
π
ω ω
γ α α γ
+
= =
= + − +
∫ ∫
 Các nhận xét: 
 * Áp ra bằng không khi α = αMAX = 180 O. 
 * Góc α tối thiểu với tải RL bằng φ. 
 Khi α < φ, áp ra không thay đổi. 
12 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 * Yêu cầu kích xung rộng: 
 Hình III.3.3: Quá trình quá độ bộ ĐKP áp xoay chiều một pha. 
 4. Ứng dụng: 
 a. Điều khiển ON – OFF: 
0.1u Out
R
1
2
4
3
33
T
1
T
2
GĐiều
khiển
In
 (a) Sơ đồ khối rơ le bán dẫn 
 (b) Sử dụng opto triac để điều khiển ON-OFF 
 Hình III.3.6: Ứng dụng điều khiển ON – OFF 
13 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
- rơ le hay contactor bán dẫn (SSR - solid state relay ). 
Ưu điểm: - không tạo ra tia lửa điện, 
 - số lần và tần số đóng ngắt cho phép rất cao 
 Nhược điểm: - khả năng quá tải kém, 
 - hỏng không phục hồi được, nhạy với nhiễu, nhiệt  
 b. BBĐ áp xoay chiều: 
Tải
Tải
TRIAC A
T1 T2
G
N
g
u
o
à
n
Tải
TRIAC B
T1 T2
G
TRIAC C
T1 T2
G
T5
T6
R
L
L
L
N
g
u
o
à
n
T1
Tải
T3
T2
R
R
T4
 (a) dùng ba sơ đồ một pha (b) sơ đô điều khiển ba pha. 
 VÍ DỤ: khảo sát trên PSIM sơ đồ đk pha 3 pha 
14 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
III.3 CHỈNH LƯU DIOD (KHÔNG ĐIỀU KHIỂN): 
 Phân loại theo số xung m của áp ra trong một chu kỳ 
 1. Khảo sát chỉnh lưu hai xung: chỉnh lưu toàn sóng hay hai nữa chu kỳ 
 a. Hoạt động ở tải R: 
 (a) (b) 
Sơ đồ cầu một pha (a) và sơ đồ một pha có điểm giữa (b) 
io
uo
2π
U 2
u
0
D1
wt
π
u
(c)và các dạng sóng dòng, áp tải trở 
 2 sinu U wt= 
 với U , ω : trị số hiệu dụng và tần số góc áp nguồn u. 
 ¾ Trị trung bình Uo của áp ra uo: 
2
0 0
1 1 1 2 22
2
sino o oTU u dt u dt U wt dwt UT
π π
π π π= = = ⋅ =∫ ∫ ∫ 
iS 
15 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 uo = io .R với io là dòng ngỏ ra => io = uo/R và Io = Uo/R 
 ¾ Trị hiệu dụng dòng tải : 
2
2 2 2
0 0 0
1 1 1
2
. . .oR o o
u UI i dwt i dwt dwt
R R
π π π
π π π
⎛ ⎞= = = =⎜ ⎟⎝ ⎠∫ ∫ ∫ 
 IoR cũng chính là trị hiệu dụng IS của dòng qua nguồn 
 ¾ 
2
2.o oR
UP R I
R
= = => cos φ = 1. => . DC O O oP U I P= < . 
 Áp khóa cực đại trên diod: cực đại áp dây 
 b. Hoạt động ở tải RL: 
 RL thay vào vị trí của R. 
16 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 (a) áp dòng chỉnh lưu hai xung tải RL (b) dạng dòng trong chu kỳ tựa xác lập 
 Khảo sát chu kỳ tựa xác lập, ta lấy lại gốc tọa độ và phương trình mạch điện: 
2 sin .o o diu u U wt R i L dt= = = + điều kiện đầu : iO(0) = I1 
 giải ra: ( ) 12 sin to Ui wt I eZ τφ
−= − + . với R
Ltg 1 ω=φ − và R
L=τ 
 Khi wt = π , dòng điện trở lại giá trị ban đầu I1 : 
 ( ) 1 12 sino Ui I e IZ
π ωτπ φ −= − + = => io(t) 
 Từ nguyên lý xếp chồng: IO = UO/R , có dạng 
17 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Ví dụ: Tính dòng qua mạch chỉnh lưu 
cầu diod tải R = 10 ohm, áp nguồn 
12 V (hiệu dụng). 
 Trị trung bình áp ra: 
 Uo = v 8.109.01212 22 =⋅=⋅ π , 
 Trị trung bình dòng ra: 
 10.8 /10 1.08 AO OI U R= = = 
 Bài tập III.1.1: Tính HSCS của 
BBĐ khi dòng tải phẳng, bằng IO 
 - Công suất nguồn cung cấp: 
 2 2.o o o o
UP U I Iπ= = 
D1, D4 D2, D3
o
o
wt
2π
I
i I
u
π
o
Dòng qua nguồn
i = I
u
o
o
Hình BT III.1.1 Khảo sát chỉnh lưu 2 xung tải dòng phẳng, 
liên tục 
 - công suất biểu kiến S = U.IO => 
2 2HSCS π= 
18 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 c. Hoạt động ở tải RE: Tải có sức phản điện làm cho xung dòng thu hẹp. 
 Gọi δ là góc để diod bắt đầu dẫn điện: 
 ( )1 22Khi thì .sin sin EUwt u E E Uδ δ δ −= = ⇔ = ⇒ = 
 Khi diod dẫn điện, ( ) 2 với . / sino o ou u R i E i u E R u U wt= = + ⇒ = − = . 
Chỉnh lưu diod 2 xung, tải RE 
 Khi diod tắt hay iO = 0 , uO = E. 
 => 1 1 2. .sin . .o oU u dwt U wt dwt E dwt
δ π π δ δ π
π πδ δ π δ
+ − +
−
⎡ ⎤= = +⎢ ⎥⎣ ⎦∫ ∫ ∫ 
 IO có thể được tính theo nguyên lý xếp chồng: IO = (UO – E) /R 
 Dòng hiệu dụng ( )221 1
0
. .u E ROR oI i dwt dwt
π π δ
π π δ
− −= =∫ ∫ => 2.o ORP R I= 
19 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 d. Hoạt động ở tải có tụ điện: ( hình III.1.4 ) 
Hình III.1.4: Mạch động lực và dạng dòng, áp 
 Phương trình dòng khi diod dẫn điện: 
 Cin
du dui C C
dt dt
= = , với 2 sinu U wt= 
 iin có thể có giá trị rất lớn => cần hạn chế (khi U lớn) 
Cv
v
R
T
C
(a)
v
Cv
iin
R
L
C
(b)
v
Cv
iin
R
VARISTOR
C
(c) 
Các sơ đồ thực tế (có hạn dòng nạp tụ) 
20 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Dạng dòng áp khi có phần tử hạn dòng 
v
Cv
ini
R
R
K
C
(d) 
 2. Tính toán gần đúng áp ra bộ chỉnh lưu diod ngỏ ra có tụ điện: 
 Giả sử điện dung C rất lớn hay tải nguồn dòng (mạch ổn áp) 
 Hình III.1.6b. Dạng áp tính toán sơ đồ hình III.1.5a 
 Δ t = T/2 T là chu kỳ điện lưới. .oC I tU C
ΔΔ = (lớn hơn thực tế). 
 => 122C D CU U U U= − Δ − Δ ; U: hiệu dụng áp nguồn , ΔUD : sụt áp diod. 
21 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 Bài tập: tính toán điện áp bộ cấp điện tuyến tính, ví dụ bộ nguồn ổn áp 5V/ 0.5A 
Dạng áp ra khi áp nguồn quá thấp 
e
- e
v
78xx
79xx
Vo
- Vo
C1
C1
C2
C2
C3
C3
Bộ ổn áp tuyến tính 78xx 
 Bài tập: Dùng PSIM mô phỏng bộ chỉnh lưu 1 SCR điều khiển pha có D phóng điện 
tải RL. Tính dạng sóng dòng tải trong chu kỳ tựa xác lập. 
L
RT o
D
u
i
vo
22 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
III.4 CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN PHA 
 1. Sơ đồ chỉnh lưu SCR hai xung: hình III.4.1.(a) và (b) 
 Khảo sát trường hợp tải thuần trở: 
T1
(a)
T2
T4
u
o
T3
i
u
n
o
(b)
u
i
o
T1
u
T2
Tr
Hình III.4.1: Sơ đồ và dạng áp, dòng chỉnh 
lưu 2 xung ĐK pha 
G1
0
2
i wt
γ = π − α
u
i
wt
α
G2
o o
ui
1 1 2 sinoU u dwt U wt dwt
π π
α απ π= ⋅ = ⋅∫ ∫ => [ ]2 1coso UU απ= + 
Giá trị tức thời dòng điện tải i 
 trị trung bình dòng tải 
o
o
o
o
u
R
UI
R
=
⇒ = 
23 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 Trường hợp tải RL: 
Xung dòng kéo dài, có dạng như trường 
hợp chỉnh lưu 1 SCR 
 γ : góc dẫn của SCR là nghiệm số 
 τ⋅ω
γ−
⋅φ−α=φ−γ+α e)sin()sin( 
 Trung bình áp ra giảm so với tải R 
o
o
UI
R
= 
i
0
2
o
wt
wt
α γ
i o
G1
u
u
i
G2
Hình III.4.3: Dạng dòng, áp ra chỉnh lưu 
2 xung, tải RL với dòng gián đoạn 
24 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 Trường hợp tải dòng liên tục: 
 Khi L đủ lớn và góc điều khiển 
pha bé, bề rộng xung γ tăng đến giá 
trị giới hạn π . 
dạng áp ra không phụ thuộc tải: 
1
1 2
2 2
với la áp ra chỉnh lưu diode:
sin cos
o
o do
do
do
U u dwt
U U wt dwt U
U ø
U U
α π
α
α π
α
π
απ
π
+
+
= ⋅
= ⋅ = ⋅
=
∫
∫
wt
wt
T1
π
o
o
2π
i
α
2π
γ = π
u
u
u
 Hình III.4.4: Dạng dòng, áp ra khi dòng 
tải liên tục 
Khi L = ∞ , dòng tải trở nên phẳng: giả thuyết dòng tải liên tục, phẳng. 
 Bài tập: điều kiện chế độ biên liên tục là α = φ với φ = tg–1(wL/R) 
25 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 2. Sơ đồ chỉnh lưu SCR hình tia m xung: 
 - Nguồn là hệ thống m pha hình sin 
1
1
2
2
3
1
2
2 2
2 2
2 2
sin
sin( )
sin( )
...
sin( )
m
m
m
m m
e U t
e U t
e U t
e U t
ω
ω π
ω π
ω π−
=
= −
= −
= −
 (a) Hệ m pha hình sin: 
N
e
ou
1
Tm
3
T1
m
...
e
e
e
T2
T3
2
(b) Chỉnh lưu m pha 
hình tia 
e
e
2π
0
e2
2
mθ
wt
m 3
1
2π
3
α
1
π
i
e
G
m
(c) Dạng áp ngỏ ra tải dòng liên tục 
 Ta có trình tự làm việc của các SCR: 
 T1 Ỉ T2 Ỉ T3 Ỉ Ỉ Tm Ỉ T1 Ỉ T2 
 => góc dẫn của 1 SCR γ = 2π/m 
 Góc chuyển mạch tự nhiên θ (tương ứng với α = 0) của SCR: 
 2 2
2
 hay sin sin( ) ( )
m m m
π π π πθ θ θ π θ θ= + => = − + = − 
26 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 Trị trung bình áp ngỏ ra khi dòng tải liên tục: 
2
2
22 2
2 2
π π πα α
π π πα α
π απ π π
+ + +
− + −
= = =∫ ∫m mo
m m
m m mU U wt dwt U wt dwt U
m
sin . cos . sin . .cos 
 Đặt 
2 π
π= mdo
mU Usin áp ngõ ra chỉnh lưu diod (khi α = 0) 
 => coso doU U α= 
27 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Ví dụ chỉnh lưu 3 xung: hình tia ba 
pha. 
uo
A
B
T3
T2
C
N
T1
Khi dòng tải liên tục: 
 2
3
3 3 6
2 2o o
U u dwt Uπ απ π= ⋅ = ⋅∫ cos 
Khảo sát thêm: 
1. Khảo sát chỉnh lưu 3 pha hình tia 
tải R 
2. Hoạt động bộ chỉnh lưu m pha 
hình tia ĐK pha khi α > 90o với tải 
dòng liên tục (chế độ nghịch lưu). 
BA
2
wt0
C
v
o
0
2
T1
0
2
v
θ
CA T1 dẫn BA CA
α
i
v v
o
0
2
wt
2
0
A B Cv
2π/3
28 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 3. Chỉnh lưu SCR sáu xung với tải dòng liên tục: Sơ đồ cầu 3 pha 
T1
B
C
T6T4
T3
u
_
T2
o
o
+
i
u
u
T5
A
 Chia làm 2 nhóm: 
 - nhóm + : T1, T2, T3 
 - nhóm – : T4, T5, T6 
 Là 2 sơ đồ 3 pha hình tia. thứ 
tự kích các SCR: 
T1 Ỉ T2 Ỉ T3 Ỉ T1 
 T6 Ỉ T4 Ỉ T5 Ỉ T6 
i
u
u
G2i
G1
iG3
3
iG4
iG5
A
u
2π
G6
π
i
π
0
B
+
C
α
o
_
 Trị trung bình áp ra: (Udo : áp ra chỉnh lưu diod) 
2
6 6
2
6 6
6
2
3 3 6( ) cos coso o A B doU u dwt u u dwt U U
π π
π π
α
π α α απ π
+ +
+= = − = =∫ ∫ 
29 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 TỔNG KẾT VỀ CHỈNH LƯU ĐK PHA: 
30 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 4. Khảo sát sơ đồ điều khiển không hoàn toàn: Các sơ đồ: 
o
(b)
T1
D5
T1
D4
i
o
D6
u
i
T3
A
D4
oo
(c)
Df
D2
D4
i
T2
uou
uB
Df
D3
T2
u
(a)
C
T1
T3
o
Hình III.6.1. 
 Khảo sát sơ đồ chỉnh lưu một pha (hình III.6.1.a và .b) tải RL: 
 - khoảng dẫn điện của SCR, D 
thay đổi theo cách bố trí linh kiện. 
 - Áp ra không có phần âm. 
 - Tăng khoảng điều chỉnh, cải 
thiện HSCS. 
 [ ]2 cos 1o UU απ= + 
60ο
uO
iOu
 SCR Df SCR Df
T2,D4 T1, D4 T1,D3 T2, D3
D2,D4 T1,D4 D2,D4 D2, T3
(a)
(b)
(c)
2π wt0
2 wtππ
π
31 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 Ví dụ: Cho bộ chỉnh lưu một pha hỗn hợp hình III.6.1.a có diod phóng điện. Áp 
nguồn 220 VAC. Tải RL, R = 10 ohm, L đủ lớn để có thể xem dòng tải là phẳng. Tính trị 
trung bình dòng qua SCR, Diod ở góc ĐK pha α = 45 O. 
Trung bình áp ra: 
 UO = 0.45*220*(1 + cos 45) = 169 volt 
Trung bình dòng ra: 
 IO = 169/10 = 16.9 A 
- Tính dòng qua SCR, diod: 
-u
i
Df T1, D4 Df T2, D3
o0 wt
2
o
45
u
u
180
o
o
32 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 5. Công suất và HSCS của chỉnh lưu điều khiển pha: 
 Khảo sát sơ đồ chỉnh lưu 2 xung tải dòng liên tục và phẳng Io 
u o
T2
u
D4
o
D3
i = I T1
 Công suất tải: 
0
2
π
A1
o
A
kích T2, T3
α
i
wt
u
kích T1, T4
I
-I io
 . coso o o do oP U I U I α= = với 2 2. /doU U π= 
Công suất tiêu thụ (ngỏ vào): 
1 2.sin . .in o oP U wt I dwt P
π α
απ
+= =∫ 
Công suất biểu kiến: S = U. Io => HS công suất: 
2 2 coscos o oP
S
αϕ π= = 
Nhận xét: ■ cos 1ϕ < bất chấp góc điều khiển α vì dòng không hình sin 
 ■ cos 0ϕ 90o: Năng lượng đão chiều. 
 Bài tập: Tính lại quan hệ công suất và cos ϕ cho chỉnh lưu cầu 3 pha 
33 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
III.5 MẠCH PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN PHA : 
 1. Nguyên lý điều khiển pha: 
 Tạo điều khiển: cùng tần số ( đồng bộ) với lưới điện + pha thay đổi. 
Với α = 0 : không điều khiển, 
 SCR Å D, áp ra cực đại với tải 
R, thay đổi theo sơ đồ 0
2G
θ
wt
u
i
α
Hình III.7.1 nguyên lý phát xung điều 
khiển pha 
34 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
 Có hai nguyên lý: làm trễ và so sánh. 
 a. Nguyên lý làm trễ: 
 Dựa vào mạch đơn ổn (làm 
trễ), kích ở α = 0, phát xung kích 
thyristor sau Td giây. 
Đơn ổn
TdMạch 
đồng bộ
áp lưới kích SCR 
 α = w. Td 
 b. Nguyên lý so sánh: 
 mạch so sánh hai tín hiệu: 
- Uđk: tín hiệu điều khiển. 
- Uđb: tín hiệu đồng bộ 
 + cùng tần số lưới 
 + có độ dốc không 
đổi dấu trong khoảng 
α = αmin đến α = αmax 
(thường là 0 và π) 
ĐK
u
0
2
α = 0
α
U
α = α0 2
i
kích SCR
max
ĐB
wt
u
G
θ
35 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Ví dụ: Điều khiển pha dùng bộ đếm: 
Điều khiển pha dùng bộ đếm 
Ở thời điểm α = 0, bộ đếm xuống có preset được nạp số N. 
Giá trị NMAX tương ứng góc αMAX và thời gian trễ NMAX .TCLK . 
preset
DATATín hiệu đặt N
Đồng bộ
(α = 0)
CLK kích SCR
Bộ đếm xuống
có preset
DATA = 0
tkích SCR(α = 0)
 đặt
 DATA = N DATA = 0
đếm xuống,
tần số CLK 
T
Hình III.7.4 (a) (b) 
Ta có αMAX = w.NMAX .TCLK 
36 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
Mạch kích chỉnh lưu điều khiển pha theo nguyên lý so sánh: 
 được áp dụng rộng rãi khi dùng vi mạch tương tự (analog). 
 a. Sơ đồ khối: 
- Khối lệch pha θ : hiệu chỉnh độ lệch pha của áp lưới, cho ra xung α = 0 ở 
ngỏ ra bộ khám phá zero đưa vào mạch tạo áp đồng bộ 
- mạch so sánh định thời điểm kích SCR 
- Mạch đơn ổn ở ngõ ra bộ so sánh xác định bề rộng xung kích SCR. 
- khối logic: phối hợp mạch phát xung các pha 
- Khối khuếch đại và ghép nâng mức công suất xung và nối vào cực cổng 
SCR. 
Lệch pha Khám phá
 ZERO
Tạo áp
đồng bộ
Đơn ổn so sánh
 LOGIC
K. đại
&
ghép
các SCR
 của
chỉnh lưu
Pha
lưới
Xung từ các 
 pha
 khác
θ α = 0
 u
U
α
Mạch phát xung ĐK pha
đb
đk 
37 / 37 ch3 DK pha ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 
III.6 ỨNG DỤNG CHỈNH LƯU: 
 Có hai nhóm ứng dụng: 
 - Truyền động điện động cơ một chiều. 
 - các bộ nguồn một chiều 
 + chỉnh lưu đầu vào cho thiết bị điện tử. 
 + dòng điện lớn cho các quá trình công nghệ. 
Đọc thêm 4 tiết, làm bài tập 2