Giáo trình mô đun Điện tử công suất - Nghề: Điện công nghiệp

cầu) 
và hình 5.6 (sơ đồ có điểm trung tính). 
 Xét sơ đồ cầu: Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi tiristo T1, T2 
 0
thì lệch pha với tín hiệu đưa vào đôi tiristo T3, T4 một góc 180 . 
 84
 Điện cảm đầu vào của chỉnh lưu đủ lớn (Ld = ), do đó dòng điện đầu vào 
được san phẳng (hình 5.7), nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng 
dòng điện của nghịch lưu có dạng xung vuông. 
 iN T
 Ld
 + iC Id t
 id +
 T1 (-) (+) T3
 iN C
 id
 Z T
 T4 2 t
 iZ
 i
 C
 t
 Hình 5.5. Sơ đồ cầu một pha 
 ib Z
 t iZ
 t
 C0
 W
 2 i
 W T1
 1 W1 iT
 2 t
 Ld
 i1
 uT1
 C iC
 id t
 t
 1 t'1
 T
 T1 2 t
 k 
 Hình 5.7. Biểu đồ xung của sơ đồ cầu một 
 Hình 5.6 Sơ đồ cầu một pha có pha 
 điểm trung tính 
 Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T2, dòng điện iN = id = Id, đồng thời 
dòng qua tụ C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu nạp điện với dấu “+” ở bên trái và 
dấu “-” ở bên phải. Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không. Do iN = iC + iz 
= Id = hằng số, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên. Sau 
một nửa chu kỳ (t = t1) người ta đưa xung vào mở cặp van T3, T4. Cặp T3, T4 mở 
tạo ra quá trình phóng điện của tụ C từ cực “+” về cực “-”. Dòng phóng ngược 
chiều với chiều dòng qua T1 và T2 sẽ làm cho T1, T2 bị khoá lại. Quá trình 
chuyển mạch xảy ra gần tức thời. Sau đó tụ C sẽ được nạp theo chiều ngược lại 
với cực tính “+’’ ở bên phải và cực tính “-’’ ở bên trái. Dòng nghịch lưu iN = id + 
iz = Id nhưng đã đổi dấu. Đến thời điểm t = t2, người ta đưa xung vào mở T1, T2 
thì T3, T4 sẽ bị khoá lại và quá trình được lặp lại như trước. Nhờ vậy chức năng 
cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các tiristo. Ở thời điểm t1, khi 
 85
mở T3 và T4, tiristo T1 và T2 sẽ bị khoá lại bởi điện áp ngược của tụ C đặt lên 
 ’
(xem hình 4.7). Khoảng thời gian duy trì điện áp ngược t1  t1 = tk toff; toff là 
thời gian khoá của tiristo hay chính là thời gian phục hồi tính chất điều khiển. 
 .tk =  là góc khoá của nghịch lưu. 
* Lưu ý: Đối với nghịch lưu dòng điện, quan trọng nhất là quá trình chuyển 
mạch của tiristo. Phụ tải luôn ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch, do vậy để 
đảm bảo nghịch lưu làm việc tin cậy thì thời gian tk phải đủ lớn, tức là nguồn 
đầu vào phải luôn đảm bảo là nguồn dòng. 
 4.2. Nghịch lưu dòng điện có phần chuyển đổi 
a. Sơ đồ L = 
 + 
 T1 T3 
 C1 
 + 
 D1 D3 
 RT 
 A B 
 DC 
 U
 D4 D2 
 C2 
 + 
 T4 
 T2 
 - 
L = ổn định dòng vào L cuộn lọc để tăng dòng DC đầu vào để là hằng số. 
b, Nguyên lý hoạt động 
 - Khi cho xung vào mở T1 T2 (T3, T4 khóa) khi đó dòng qua tải có chiều 
như sau: (+)nguồn L T1 D1 R D2 T2 (-)nguồn. Chiều dòng 
điện đi từ A đến B. Lúc này tụ C1, C2 được nạp đường nạp của C1 và C2 như sau: 
 C1 nạp: (+)nguồn L T1 +C1 -C1 D3 D2 T2 (-)nguồn 
 C2 nạp: (+)nguồn L T1 D1 D4 +C2 -C2 T2 (-)nguồn 
 - Ở thời điểm tiếp theo đưa xung vào để mở T3, T4 ( T1 T2 khóa) khi đó 
dòng qua tải có chiều như sau: 
 (+)nguồn L T3 D3 R D4 T4 (-)nguồn. Chiều dòng điện 
đi từ B đến A. Lúc này tụ C1, C2 phóng đường phóng của tụ của C1 và C2 như 
sau: 
 C1 phóng: +C1 D1 D4 (-)nguồn L T3 -C1 
 C2 phóng: +C2 T4 (-)nguồn L T3 D3 D2 -C2 
 86
 Vậy ta có ở thời điểm trước chiều dòng điện đi từ A đén B, thời điểm tiếp 
theo đi theo chiều ngược lại từ B đến A. Vậy dòng qua tải là dòng xoay chiều. 
5. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu dòng 
 Phương pháp điều chế độ rộng xung 
 Phương pháp điều chế PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải dựa 
trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫm đếm sự thay đổi điện áp ra. 
 PWM thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ băm xung áp, điều 
áp... cao hơn nữa nó còn được dùng để điều khiển ổn định tốc độ động cơ tham 
gia và điều chế các mạch nguồn như là : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha... 
Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn 
dương hay hoặc là sườn âm 
Các sơ đồ mạch PWM 555: 
 Các khái niệm của PWM vốn đòi hỏi thời gian. Hai 555 giờ IC và một số chiết 
 áp có thể được sử dụng để tạo ra một tín hiệu PWM, và kể từ khi PWM cung 
 cấp một kỹ thuật số, vào / ra khỏi tín hiệu, nó cũng dễ dàng để sử dụng một 
 máy tính hoặc vi điều khiển để tạo ra các tín hiệu, tuy nhiên điều này là vượt ra 
 ngoài phạm vi của bài viết này. 
 Mạch trong hình 2 sử dụng hai 555 IC và thực sự là một sự kết hợp của hai 
 loại mạch. Đầu tiên là một multivibrator miễn phí chạy (astable) với một tần số 
 có thể điều chỉnh khoảng 30Hz. Các đầu ra của mạch này sau đó gây ra một 
 xung định hình (đơn ổn) mạch điều chỉnh độ rộng của xung. Mạch tạo ra một 
 chu kỳ nhiệm vụ trong phạm vi khoảng 0,3% đến 97%. 
 87
 Tốc độ của động cơ được điều khiển với một điện thế (điện trở biến). Nó có 
 thể chạy một Meccano M5 động cơ để kiểm tra các mạch, và nó sẽ chạy từ 
 chết vẫn còn tốc độ tối đa sử dụng điều khiển tốc độ điện thế và pin 6V là 
 nguồn năng lượng duy nhất. Nếu bạn có một động cơ 12V, bạn có thể sử dụng 
 một nguồn điện 12V. 
 Động cơ được bật và tắt thông qua một bóng bán dẫn TIP31C (thể hiện trong 
 hình 3) có thể xử lý các động cơ được đánh giá lên đến 3A tại 100V hoặc điện 
 một của 40W. Nếu bạn đang sử dụng một động cơ công suất cao, làm cho chắc 
 chắn có một tản nhiệt bắt vít để bóng bán dẫn. 
Lắp mạch điều khiển động cơ sử dụng IC 555 
 88
6. Biến tần gián tiếp, trực tiếp 
 6. 1Biến tần gián tiếp 
 Bộ biến tần gồm các khâu: chỉnh lưu (CL), lọc (L) và nghịch lưu (NL). 
Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua khâu trung gian một chiều, do đó có 
tên gọi là biến tần gián tiếp. 
 U,f U,f
 1 1 + + 2 2
 CL L NL
 - -
 Hình. Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp 
 Chỉnh lưu dùng để biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều, chỉnh lưu 
có thể là không điều khiển hoặc có điều khiển. Ngày nay đa số chỉnh lưu thường 
là chỉnh lưu không điều khiển, vì nếu điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm 
vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi. 
Nói chung chức năng biến đổi tần số và điện áp một chiều được thực hiện bởi 
nghịch lưu thông qua bộ điều khiển. 
 Trong các bộ biến tần công suất lớn, người ta dùng chỉnh lưu bán điều 
khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi bị quá tải. 
 Ngày nay biến tần gián tiếp được sử dụng khá phổ biến vì có thể điều 
chỉnh tần số và điện áp ra trong phạm vi khá rộng. Dễ dàng tạo ra các bộ nguồn 
(dòng, áp) theo mong muốn. Nghịch lưu được dùng trong biến tần thường là các 
mạch cơ bản đã nêu ở phạm vi trên. 
 89
 Nhược điểm cơ bản của biến tần gián tiếp là hiệu suất thấp (vì qua hai lần 
biến đổi). Công suất cũng như kích thước của bộ biến đổi lớn. 
 6.2. Biến tần trực tiếp 
 Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều, 
không thông qua khâu trung gian một chiều. 
 Bộ biến tần gồm hai bộ chỉnh lưu nối song song ngược (hình 4.16). Các 
bộ chỉnh lưu này có thể là sơ đồ ba pha có điểm trung tính (hình 4.16a), sơ đồ 
cầu (hình 4.16b) hoặc các bộ chỉnh lưu nhiều pha. Số pha của bộ chỉnh lưu (m) 
càng lớn thì thành phần sóng điều hoàn bậc cao càng giảm. 
 LCB
 f2 ,u2
 A
 T1 T3 T5
 B f1,u1
 f ,u
 C 1 1 T7 T9 T11
 T T T T T T
 1 2 3 4 5 6 Zt
 T4 T6 T2
 L
 I II CB
 T10 T12 T8
 f ,u
 Zt 2 2
 a) b)
 u2 u2
 T2
 T2
 t t
 0 0
 T1 / 2
 / m1
 c) d)
 u2
 i2 
 t T t t T t
 0
 
 T2
 e)
 Hì
 nh 5.16. Biến tần trực tiếp: a) Sơ đồ có điểm trung tính; b) Sơ đồ cầu; 
 c), d), e) Dạng điện áp ra với các luật điều khiển khác nhau 
 Nguyên lý làm việc của bộ biến tần như sau: 
 Để đơn giản, giả thiết tải thuần trở, van là lý tưởng Điện áp trên tải (u2) 
gồm hai nửa sóng dương và âm. Nửa sóng dương được tạo ra khi nhóm van I 
làm việc (T1, T2, T3), còn nửa sóng âm được tạo ra khi nhóm van II (T2, T4, T6) 
làm việc. Lần lượt đóng mở các nhóm van I và II, ta sẽ tạo ra trên tải một điện 
áp xoay chiều có giá trị: 
 90
 2U sin
 pha m
 u 1 cos (5.25) 
 2 
 m1
 trong đó: m1- số pha của điện áp lưới; 
 - góc điều khiển của bộ chỉnh lưu. 
 Theo hình 4.20c ta có: 
 T2 T1 T1 1 n 
 n T1 (5.26) 
 2 2 m1 2 m1 
 n = 0, 1, 2, 3  
 Tần số của điện áp ra (f2) bao giờ cũng thấp hơn tần số lưới. 
 Từ (4.26) suy ra: 
 f1m1
 f2 (5.27) 
 2n m1
 Tần số f2 theo biểu thức 4.27 được điều chỉnh có cấp. Để điều chỉnh f2 vô 
cấp, cần tạo ra thời gian trễ giữa hai bộ chỉnh lưu (góc ) (hình 4.16d) và như 
vậy tần số ra là: 
 f1m1 
 f2 (5.28) 
 (2n m1)m1 
 Khi bộ biến tần làm việc với tải trở hoặc động cơ điện, năng lượng tích 
luỹ ở tải có thể được trả về lưới. Lúc này bộ chỉnh lưu sẽ làm việc ở chế độ 
nghịch lưu phụ thuộc. Nhóm I sẽ làm việc ở chế độ nghịch lưu cho khi điện áp 
trên tải mang dấu dương (hình 4.16e). 
 Nếu chỉnh lưu mắc theo sơ đồ cầu (hình 4.16b) thì điện áp trên tải sẽ lớn 
gấp hai lần so với sơ đồ ba pha có điểm trung tính: 
 2 2U sin
 pha m
 u 1 cos (5.29) 
 2 
 m1
 Xung điều khiển của hai nhóm van lệch nhau một góc 2 /m1. 
 Các bộ biến tần trên có hiệu suất thấp (vì điều chỉnh ) và điện áp có chứa 
nhiều thành phần sóng điều hoà bậc cao. Để loại thành phần bậc cao cần dùng 
bộ lọc. 
 Nếu thay đổi góc của hai nhóm chỉnh lưu I và II theo quy luật nào đó 
thì điện áp ra có thể thay đổi theo bất cứ luật nào. 
 91
 Để đảm bảo điện áp ra gần sin thì góc điều khiển (ở chế độ chỉnh lưu) 
và  (chế độ nghịch lưu) cần thay đổi theo luật sau: 
 arccos(Asin 2t)
 U 
 A 2m
 U2m0
 U2m – giá trị biên độ của điện áp ra trên tải, 
 U2m0 – giá trị biên độ của điện áp ra trên tải ứng với trạng thái mở các 
tiristo hoàn toàn ( = 0); A = 1 khi luật điều chỉnh và  là tuyến tính (hình 
4.17). 
 u2
 T / 2 T / 2
 0
 
 / 2 
 0
 / 2 3 / 2 2 
 Hình 5.17. Luật điều khiển tuyến tính 
 Với luật điều khiển trên và m1 cũng như tỷ số f1/f2 đủ lớn, điện áp ra trên 
tải sẽ có dạng hình sin: 
 m1 
 U 2 (2t) = U1m sin sin 2t 
 m1
 Đường cong điện áp ra sẽ có thành phần sóng điều hoà cơ bản với tần số 
f2. Các bộ biến tần trực tiếp có tần số ra nhỏ hơn tần số vào (f2 < f1) thường được 
sử dụng để điều khiển các động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc. Có hai phương 
pháp để tăng tần số ra của bộ biến tần sao cho f2 > f1: 
 - Dùng bộ chuyển mạch cưỡng bức phụ: Phương pháp này làm giảm hiệu 
suất vì cần dùng thêm bộ biến đổi, nên ít được dùng trong thực tế. Do đó ở đây 
không trình bày phương pháp này. 
 - Phương pháp dùng van điều khiển hoàn toàn là phương pháp có hiệu quả 
hơn cả. Sơ đồ dùng tranzito có dạng như ở hình 4.18a. 
 Các van tranzito được mắc vào đường chéo của cầu điôt để làm cho nó trở 
thành khoá điện tử dẫn điện theo hai chiều. 
 92
 Xung điều khiển được đưa vào tranzito sao cho phụ tải luôn được nối vào 
hai pha bất kỳ, tức là điện áp trên tải luôn là điện áp dây. 
 Với luật điều khiển mô tả trên hình 5.18b, điện áp ra trên tải sẽ là đường 
cong xoay chiều có dạng khá phức tạp (đường nét đậm). Dễ dàng nhận thấy f2 > 
f1. 
 Để tạo ra hệ ba pha, cần có ba sơ đồ như ở hình 5.17. Tuỳ thuộc vào thứ 
tự pha mà tần số ra được xác định như sau: 
f2 = fk f1 
 fk - tần số điều khiển van điện tử, 
 f1- tần số lưới. 
 Dấu (-) tương ứng với thứ tự pha thuận; dấu (+) tương ứng với thứ tự pha 
ngược. 
 Giá trị hiệu dụng của điện áp ra được xác định theo biểu thức: 
 U m1 2 6U md 2
U2 1 k sin 1 k 
 2 2 6
 Um1 – giá trị biên độ của sóng điều hoà bậc 1; 
 Umd – giá trị biên độ của điện áp dây; 
 1 1
 k là hệ số sóng điều hoà. 
  2  2
 S 1 (6S 1) S 1 (6S 1)
 93
 T
 T1 4
 T2 T5
 T3 T6
 Z N (u1,f2 )
 a)
 T1
 T2
 T
 b) 3
 T4
 T5
 T6
 u u u u
 u AB CA BC AB uAC
 c)
 0
 fk
 1/ fk
 d) 0
 Hì
 nh 5.18. a) Sơ đồ dùng tranzito; b) Luật điều khiển; 
 c) Dạng điện áp ra; d) Hàm chuyển mạch 
a, Biến tần nguồn dòng 
 Biến tần nguồn dòng dùng chỉnh lưu có điều khiển, nghịch lưu thyristor. 
Ưu điểm loại này có sơ đồ đơn giản nhất là sử dụng loain thyristor với tần số 
không cao lắm. 
 94
 * Sơ đồ 
 Lo 
 T1 T T5 
 3 
 C1 
 C2 
 + + 
 C3 
 + 
 D1 D3 D5 
A 
 B 
B M 
 A 
C C 
 D4 D6 D
 2 
 C4 C5 
 + + 
 C6 
 + 
 T
 6 T2 
 T4 
 Trên sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển cùng với cuộn cảm tạo nên nguồn 
 dòng cấp cho nghịch lưu. Nghịch lưu ở đây là sơ đồ nguồn dòng. Hệ thống tụ 
 chuyển mạch cách ly với tải qua hệ thống cách ly điode. Dòng ra nghịch lưu có 
 dạng xung chữ nhật, điện áp ra có dạng sin nếu tải là động cơ. 
 Ưu điểm: Biến tần nguồn dòng không sợ chế độ ngắn mạch vì có hệ 
 thống giữ dòng không đổi nhờ chỉnh lưu có điều khiển và cuộn kháng trong 
 mạch một chiều. Với công suất nhỏ thì sơ đồ này không phù hợp vì hiệu suất 
 kém và cồng kềnh nhưng đối với công suất trên 100kw thì đay là phương án rất 
 hiệu quả. 
 Nhược điểm: Hệ số công suất thấp và phụ thuộc vào tải, nhất là khi tải 
 nhỏ. 
 b, Biến tần nguồn áp 
 * Sơ đồ 
 T1 D1 T3 D3 T5 D5 
 A B C 
 A 
 RT 
 B 
 C
 C 
 D
 T4 D4 T6 D6 T2 2 
 UC 
 95 UA UB 
 ZA ZB ZC 
 Biến tần nguồn áp loại này dùng nghịch lưu nguồn áp với đầu vào một 
chiều điều khiển được. Điện áp một chiều cung cấp có thể dùng chỉnh lưu có 
điều khiển hoặc chỉnh lưu không điều khiển. 
 Biến tần nguồn áp có dạng điện áp ra xung chữ nhật , biên độ được điều 
chỉnh nhờ thay đổi điện áp một chiều. Hình dạng và giá trị điện áp ra không phụ 
thuộc tải. 
* So sánh bộ biến tần trực tiếp và bộ biến tần gián tiếp 
 Phạm vi hoạt động điện áp ra: tương đối nhỏ trong trường hợp bộ biến tần 
trực tiếp với qua trình chuyển mạch bên ngoài (từ 0 đến 25Hz) và khá cao trong 
trường hợp biến tần gián tiếp (vài chục đến vài ngàn Hz) 
 Dạng sóng của điện áp ra: Thuận lợi hơn trong trường hợp bộ biến tần trực 
tiếp, đối với chúng ta có thể dùng các mạch điều khiển đơn giản để đạt được 
dòng điện tải gần như hình sin. 
 Phương pháp chuyển mạch: Rất thuận tiện đối với bộ biến tần trực tiếp. 
Do tác dụng của quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài trong các bộ biến 
tần trực tiếp với quá trình chuyển mạch phụ thuộc, ta có thể đạt công suất rất lớn 
hàng chục MW so với bộ biến tần gián tiếp với quá trình chuyển mạch độc 
lập(khoảng đơn vị MW). Quá trình chuyển mạch độc lập của bộ biến tần gián 
tiếp đòi hỏi ít chi tiết bán dẫn so với bộ biến tần trực tiếp. Chẳng hạn, bộ biến 
tần gián tiếp 3 pha gồm 12 SCR chính và các bộ chuyển mạch. Bộ biến tần trực 
tiếp 3 pha gồm các bộ chỉnh lưu 6 xung đòi hỏi đến 36 SCR. 
 Hệ số công suất: Tốt nhất trong bộ biến tần gián tiếp sử dụng phương 
pháp điều khiển độ xung rộng của điện áp ra (PWM). 
Mạch nghịch lưu 
 a. DC to AC dùng tranzitor 
 96
B. DC to AC dùng IC 555 
 97
 XÁC NHẬN KHOA 
 Bài giảng mô đun “Điện tửu công suất” đã bám sát các nội dung trong chương trình 
môn học, mô đun. Đáp ứng đầy đủ các nội dung về kiến thức, kỹ năng, năng lực tự chủ trong 
chương trình môn học, mô đun. 
Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho mô đun Điện tử công suất thay thế cho giáo trình. 
 Người biên soạn Lãnh đạo Khoa 
 ( Ký, ghi rõ họ tên) ( Ký, ghi rõ họ tên) 
 Phạm Thị Huê 
 98