Nghiên cứu, chế tạo thiết bị thí nghiệm các mạch chỉnh lưu không và có điều khiển với mạch một pha và ba pha

 vực như đào tạo, công 
nghiệp, viễn thông,vv. Hiện nay thiết bị đào tạo, nghiên cứu về lĩnh vực điện tử công suất của khoa Điện-
Điện tử, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên được trang bị chủ yếu là thiết bị của dự án có giá 
thành rất cao, số lượng thiết bị còn hạn chế không đáp ứng đủ mục tiêu đào tạo và nghiên cứu của Khoa. 
Sản phẩm nghiên cứu của bài báo có chất lượng tương đương như sản phảm của dự án, nhưng lại có giá 
thành rẻ hơn rất nhiều, góp phần làm tăng số lượng thiết bị để phục vụ trong đào tạo và nghiên cứu khoa 
học của Khoa.
Từ khóa: Điện tử công suất, Một pha, Ba pha.
1. Mở đầu
Hiện nay trên thế giới với nền tảng khoa học 
công nghệ và giáo dục phát triển rất mạnh, nên đã 
có rất nhiều các công ty, tập đoàn như Lucas- nulle 
của Đức; Edipon của Tây Ban Nha tham gia sản 
xuất các thiết bị giáo dục nói chung, thiết bị dạy 
nghề và nghiên cứu ứng dụng nói riêng. Trong đó 
phải kể đến lĩnh vực điện tử công suất, đây là một 
lĩnh vực được khai thác và sử dụng mạnh mẽ trong 
những thập niên gần đây. Đối với các quốc gia phát 
triển mạnh về thiết bị giáo dục nghề nghiệp như 
Đức, Anh, Hàn Quốc, Tây Ban Nha, Đài Loan thì 
các thiết bị đào tạo về điện tử công suất được chế 
tạo với rất nhiều loại hình khác nhau để đáp ứng nhu 
cầu học tập và nghiên cứu. Tuy nhiên giá thành còn 
cao và còn nhiều nội dung chưa phù hợp với điều 
kiện đào tạo trong nước ta.
Thiết bị giáo dục trong nước ta nói chung còn 
nhiều thử thách vì các công ty hay các trung tâm 
nghiên cứu về thiết bị giáo dục mới chỉ được quan 
tâm nhiều hơn trong khoảng 10 năm trở lại đây.
Nước ta hiện nay có một số công ty sản xuất 
thiết bị giáo dục như Cty CPTB Tân phát, Công ty 
CPTBGD dạy nghề Việt Nam, Công ty TNHH thiết 
bị đào tạo và phát triển công nghệ Ngọc Huy, Công 
ty TBGD Hồng Đức, Hải Hà đã và đang đầu tư 
phát triển thiết bị thí nghiệm - thực hành về điện tử 
công suất. Với các thiết bị được chế tạo trong nước 
hiện nay đã đáp ứng được các tiêu chí về kinh tế, 
tuy nhiên về tính ứng dụng trong đào tạo mới chỉ 
đáp ứng được các yêu cầu cơ bản, tính khái quát 
chưa cao, còn hạn chế về các tiêu chuẩn an toàn. 
Hơn nữa các tài liệu hướng dẫn kèm theo còn sơ sài, 
thiếu đồng bộ và hạn chế về nội dung thí nghiệm.
Đứng trước tình hình trên nhóm nghiên cứu đã đưa 
ra đề xuất chế tạo thiết bị thí nghiệm điện tử công 
suất để đáp ứng nhu cầu đào tạo tại trường đồng 
thời cải tiến những hạn chế của các công ty trong 
và ngoài nước.
2. Phân tích ý tưởng thiết kế thiết bị thí nghiệm
Sau khi phân tích và tìm hiểu một số thiết bị 
thí nghiệm trong và ngoài nước, nhóm nghiên cứu 
nhận thấy những đặc điểm chung và riêng của các 
mô hình thí nghiệm và từ đó đưa ra xu hướng chế 
tạo thiết bị thí nghiệm phù hợp với nội dung và yêu 
cầu theo chương trình đào tạo hiện hành của Trường 
ĐHSP Kỹ thuật Hưng Yên.
Theo các mô hình trên, nếu phát triển thiết 
bị thí nghiệm thì nhóm nghiên cứu đánh giá cao 
mô hình dưới dạng mô đun của hãng Lusca-Nulle 
vì khả năng linh hoạt, tích hợp và thuận lợi trong 
khi sử dụng và bảo quản. Tuy nhiên để người học 
tư duy nhiều hơn khi lắp ráp, nhóm nghiên cứu có 
định hướng phát triển thiết bị yêu cầu người học 
phải tự nối tín hiệu đồng bộ và tín hiệu điều khiển, 
đồng thời tạo hướng mở rộng khi kết nối thiết bị thí 
nghiệm với các thiết bị khác.
2.1. Thiết kế, tính toán và lựa chọn mạch công 
suất và các phần tử bảo vệ
2.1.1. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch công suất
Mạch công suất được thiết kế đảm bảo thí 
nghiệm được các mạch chỉnh lưu một pha, ba pha 
không và có điều khiển đáp ứng được các yêu cầu 
cơ bản như có các điểm đo dòng, đo áp, được bảo 
vệ quá dòng bằng cầu chì. Từ các đặc điểm yêu cầu 
trên nhóm nghiên cứu đã thiết kế mạch công suất 
như Hình 1:
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology32 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý mạch công suất
2.1.2. Tính toán lựa chọn các phần tử công suất 
Theo kết quả khảo sát tại phòng thí nghiệm 
điện tử công suất và các thiết bị thí nghiệm trong và 
ngoài nước, nhóm nghiên cứu nhận thấy các thiết bị 
thí nghiệm điện tử công suất thường được chế tạo 
làm việc với các giá trị dòng điện khoảng 1A đến 
2A, còn điện áp thiết bị được làm việc với các giá trị 
45ACV, 47ACV hay 220ACV [1-4]. Từ các phân 
tích trên nhóm nghiên cứu đã lựa chọn phương án 
thiết kế bo mạch công suất làm việc dài hạn đảm 
bảo với dòng điện trung bình qua tải lớn nhất I
d
 = 
1,5A và điện áp ba pha lớn nhất cấp vào mạch có 
giá trị hiệu dụng là U
2
 = 220V. 
Trong các bài thực tập van công suất phải 
chịu dòng điện lớn nhất ở mạch tia một pha nửa chu 
kỳ, khi đó dòng qua van bằng dòng qua tải. Như vậy 
ta chọn dòng điện làm việc của van theo trường hợp 
này. Với điều kiện làm mát tự nhiên chỉ sử dụng 
cánh tản nhiệt thì dòng làm việc của van công suất 
được tính chọn như sau: I
DAV
 = I
TAV
 = 4×I
d
 = 4×1,5 
= 6(A). Điện áp van được chọn theo mạch chỉnh 
lưu ba pha khi đó van phải chịu điện áp lớn nhất là: 
U
Dngmax
 = U
Tngmax
 = 6 U
2
 = 6 .220 = 538 (V). Từ 
phần tính toán trên căn cứ thiết bị có sẵn trên thị 
trường nhóm nghiên cứu chọn van diode 6A10 và 
van thyritstor BT151.
2.1.3. Tính chọn bảo vệ quá dòng và bảo vệ nhiệt
a. Tính toán bảo vệ quá dòng cho van bán 
dẫn công suất
Thiết bị thí nghiệm làm việc với điện áp thấp 
và dòng nhỏ nên được thiết kế riêng biệt để khảo 
sát đặc tính van công suất, không kết nối với các 
phần tử RC hay các bộ bảo vệ hạn chế dòng quá độ 
mà chỉ thiết kế bảo vệ quá dòng và tản nhiệt cho 
van công suất. Theo thiết kế phần bảo vệ quá dòng 
cho van công suất được đặt ở hai vị trí nguồn vào 
và đầu ra tải, tuy nhiên mạch công suất được thí 
nghiệm với các mạch khác nhau nên dòng cầu chì 
được chọn và bảo vệ phải đảm bảo:
( , , ) ( , , ) , ( , , )I I A1 1 1 3 1 1 1 3 1 5 1 65 1 95F d' # ' # '= = = 
U U V220F 2$ = 
Như vậy ta có thể chọn loại cầu chì tác động 
nhanh có điện áp làm việc U = 250V và dòng làm 
việc định mức 2A.
b. Tính toán tản nhiệt độ cho van bán dẫn 
công suất
Vì mạch hoạt động ở tần số thấp và điện áp 
rơi trên van chỉ giao động trong khoảng từ 1,4V đến 
1,75V nên có thể bỏ qua tổn hao đóng cắt và tổn hao 
do điện trở vi phân gây lên, khi đó tổn hao trên van 
công suất được xác định.
TP = TU.I
d
 = 1,4.1,5 = 2,1W; S
tn
 = .K
P
tn
T
x
Trong đó:
Tổn hao công suất: TP = 2,1 W, Độ chênh 
lệch nhiệt độ so với môi trường: x = TJ – Tmt. Có 
TJ = 175
oC, chọn nhiệt độ môi trường: T
mt
 = 25oC 
& x = = 175 - 25 = 150 oC.
K
tn
 = (6-10).10-4 W/cm20C: Hệ số có xét tới 
điều kiện tỏa nhiệt. Chọn K
tn
 = 8.10-4 W/cm20C.
S
tn
 = 2,1/(8.10-4.150) = 17 cm2. Như vậy ta 
chọn cánh tản nhiệt bằng nhôm có tổng diện tích bề 
mặt là 17 cm2.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology 33
2.1.4. Thiết kế, tính toán và lựa chọn mạch điều 
khiển
2.1.4.1. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 
như Hình 2
Thể hiện ở phần Phụ lục.
2.1.4.2. Phân tích tính chọn các phần tử trong 
mạch điều khiển
a. Phân tích lựa chọn khối phát xung chủ đạo
Mạch phát xung chủ đạo có thể sử dụng 
nhiều phương pháp khác nhau như mạch tạo dao 
động dùng UJT, mạch dùng IC khuếch đại thuật 
toán hay mạch dùng IC tích hợp... Qua tìm hiểu và 
nghiêm cứu nhóm tác giả đã lựa chọn sử dụng điều 
khiển dùng IC tích hợp TCA785 do hãng Simens 
chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị 
chỉnh lưu, thiêt bị điều chỉnh dòng xoay chiều.
b. Tính toán các phần tử tạo giao động và 
các thông số cơ bản của IC TCA785
Tụ tạo xung răng cưa: C
10
 = 500pF (min), 1nF 
(max)
Thời điểm phát xung đầu ra chân ở 14; 15 
(Hình 2): 
t
Tr
 = .
. .
V K
V R C
ref
11 9 10 (1)
Dòng nạp tụ: I
10
 = 
.
R
V Kref
9
 (2)
Điện áp trên tụ C
10
: V
10
 = .
. .
R C
V K tref
9 10
 (3)
Điện áp nguồn nuôi: US = 15V.
Dòng điện tiêu thụ: IS = 10mA.
Dòng điện ra: I = 50mA.
Biên độ điện áp lớn nhất xung răng cưa: U-
RC 
max
 = (US-2)V. Điện trở trong mạch tạo điện áp răng 
cưa: R
9
 = (20 ' 500) kX. Điện áp điều khiển: U
11
 = 
, U0 5 2S'- -_ iV.
Dòng điện đồng bộ: IS = 200 (nA), Tụ điện: 
C
10
 = 0,5 - 1(nF), Tần số xung ra: f = (10 ' 500) Hz.
2.1.4.3. Tính toán, lựa chọn khối phát xung chùm
Để đảm bảo tính đối xứng và độ làm việc 
ổn định của các mạch khi tải có tính cảm lớn ta 
thường chọn xung điều khiển có dạng xung chùm. 
Đặc điểm xung chùm thường có tần số cao hơn so 
với tín hiệu đồng bộ thường có tần số khoảng từ 
1,8 đến 5KHZ. Để phát xung chùm ta có thể dùng 
nhiều phương pháp khác nhau như dùng mạch đa 
hài, mạch dùng KĐTT hay dùng IC tích hợp, . để 
đảm bảo nhóm nghiên cứu thiết kế mạch phát xung 
dùng NE555. 
Tính toán mạch dao động tạo xung chùm
Tần số xung được chọn là f = 4KHZ khi đó 
các thông số trong mạch tạo xung dao động được 
xác định: Chu kỳ xung chùm:
,T f ms
1
4000
1
0 25= = = 
Xung chùm thường có dạng đối xứng nên 
khi đó T
on
 = T
off
 = 0,125ms.
, . . , .
. ,
, .
, .
T R C
R C
0 69 0 125 10
0 69
0 25 10
7 2 10
on 10 5
3
5
3
4
10&
= =
= =
-
-
-
 Chọn C = 0.1μF suy ra
, .
,
( )R K
0 1 10
7 2 10
7210 6
4
&
#
X= =-
-
Tương tự như vậy ta xác định được R3 và Toff
, . . , .
. ,
, .
, .
T R C
R C
0 69 0 125 10
0 69
0 125 10
7 2 10
off 10 3
3
3 5
3
4&
= =
= =
-
-
-
Mà C = 0.1μF suy ra: 
, .
, .
( )R K
0 1 10
7 2 10
723 6
4
& X= =-
-
Để đảm bảo độ chính xác và không bị ảnh 
hưởng sai số của linh kiện tra thay điện trở R
10
 và R3 
thành các biến trở tinh chỉnh có giá trị 100K.
2.1.4.4. Tính chọn khối trộn xung
Để đảm bảo xung điều khiển làm việc đồng 
bộ với điện áp nguồn công suất ta phải trộn xung 
chùm tần số cao với xung điều khiển đồng bộ. Khi 
đó nhóm nghiên cứu đã phân tích và thiết kế lựa 
chọn cổng AND (IC74LS08N) làm phần tử trộn 
xung.
2.1.4.5. Tính chọn khối mạch khuếch đại
Khối khuếch đại có nhiệm vụ cách ly phần 
điều khiển với mạch lực đồng thời khuếch đại tín 
hiệu dòng điều khiển. Mạch khuếch đại thường 
sử dụng hai phương pháp cơ bản là biến áp xung 
hay phần tử quang. Trong phạm vi nghiện cứu thí 
nghiệm với công suất nhỏ và để đảm bảo xung phát 
có độ chính xác cao nên nhóm nghiên cứu đã chọn 
phần tử quang làm thiết bị khuếch đại. 
2.1.4.6. Tính chọn các phần tử mạch nguồn điều 
khiển
Mạch điều khiển được cấp nguồn cho 
TCA785, IC 74LS08N, NE555, rơle các mạch phân 
áp và khuếch đại với dòng tiêu thụ rất nhỏ chỉ vài 
trăm mA. Nên ta thiết kế sơ đồ mạch cấp nguồn với 
cầu dioode 1A, mạch ổn áp dùng IC7812T với dòng 
làm việc lớn nhất là 1A. 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology34 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017
2.2. Lắp ráp hoàn thiện sản phẩm
2.2.1. Mô đun công suất sau khi hoàn thiện
Hình 3. Hình ảnh sản phẩm mô đun công suất
2.2.2. Mô đun điều khiển mạch chỉnh lưu sau khi 
hoàn thiện
Hình 4. Hình ảnh sản phẩm mô đun điều khiển
2.3. Khảo sát tín hiệu trên mạch điều khiển
Hình 5. Hình ảnh khảo sát và kiểm tra thiết bị tại 
phòng thí nghiệm ĐTCS khoa Đ-ĐT
2.3.1. Khảo sát đánh giá mạch chỉnh lưu hình tia 
ba pha không điều khiển tải R
2.3.1.1. Sơ đồ mạch điện [5]
Thể hiện như Hình 6.
2.3.1.2. Kết quả khảo sát mối quan hệ dòng điện và 
điện áp trong mạch, sử dụng phần mềm PSIM [6-7]
Bảng 1. So sánh kết quả khảo sát giữa sản phảm 
nghiên cứu (SPNC) với sản phảm của hãng Lucas- 
nulle (LN)
TT U2
(V)
U
d
(V)
I2
(A)
I
d
(A)
I
FAV
(A)
I
FRMS 
(A)
SP NC 48,5 53 0,32 0,55 0,2 0,32
Hãng LN 48 53 0,32 0,55 0,2 0,32
Kết quả khảo sát quan hệ dạng sóng U
2
; U
d
; 
I
d 
thể hiện như Hình 7.
Hình 6. Sơ đồ mạch điện
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology 35
Hình 7. Kết quả khảo sát quan hệ dạng sóng U2; Ud; Id
2.3.2. Khảo sát đánh giá mạch chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển tải R
2.3.2.1. Sơ đồ mạch điện [5]
Hình 8. Sơ đồ mạch điện
Bảng 2. So sánh kết quả khảo sát giữa sản phảm nghiên 
cứu (SPNC) với sản phảm của hãng Lucas- nulle (LN)
α (Rad) 0 r/6 r/3 r/2 2r/3 5r/3
U
d
 (V)
SPNC 
52,8 44,7 31,6 15,7 3,43 0
U
d
 (V)
Hãng LN
53 45 32 16 3,45 0
Từ kết quả khảo sát ở Bảng 1 và Bảng 2 
cho thấy, các thông số đo được trên thiết bị của sản 
phẩm nghiên so với các thông số đo được trên thiết 
bị của hãng LN là tương đương nhau. Qua đó chứng 
tỏ rằng chất lượng thiết bị của nhóm nghiên cứu 
tương tương với chất lượng thiết bị của hãng LN, 
nhưng sẽ có giá thành rẻ hơn rất nhiều.
Hình 9. Kết quả khảo sát quan hệ dạng sóng U
2 
; U
d 
; I
d
 khi α = r/6
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology36 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017
4. Kết luận
Nhóm tác giả đã tìm hiểu, phân tích và so 
sánh đặc điểm một số thiết bị thí nghiệm điện tử 
công suất của các hãng trong và ngoài nước, nhận 
thấy giá thành thiết bị của các hãng sản xuất đều 
có giá thành cao. Từ đó nhóm tác giả đã tiến hành 
nghiên cứu và chế tạo thành công mô đun điều 
khiển và mô đun công suất bộ biến đổi AC-DC. Kết 
quả thí nghiệm so sánh với thiết bị của hãng Lucas- 
nulle là tương đương nhau, nhưng sản phẩm của 
nhóm nghiên cứu có giá thành thấp hơn rất nhiều. 
Sản phẩm của đề tài đã được ứng dụng trong việc 
giảng dạy cho học phần thí nghiệm điện tử công 
suất và học phần thí nghiệm truyền động điện tại 
khoa Điện - Điện tử, trường Đại học Sư Phạm Kỹ 
thuật Hưng Yên.
Tài liệu tham khảo
[1]. Nguyễn Bính, Điện tử công suất, NXB Khoa học kỹ thuật, năm 2000.
[2]. Võ Minh Chính, Điện tử công suất, NXB Khoa học kỹ thuật, năm 2007.
[3]. Nguyễn Trọng Linh, Điện tử công suất, Tài liệu dịch tác giả Ashfaq Ahmed, năm 2004.
[4]. Trần Văn Thịnh, Thiết bị điện tử công suất, Lưu hành NB - ĐHBKHN, năm 2000.
[5]. Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm điện tử công suất hãng Lucas- nulle- EPE10.
[6]. Richmond, User Manual PSIM Version 4.0, January 1999.
[7]. Richmond, User Manual PSIM Version 9.0, March 2010.
STUY AND IMPLEMENTATION OF EXPERIMENTAL EQUIPMENT
CONTROLLED AND UNCONTROLLED RECTIFY CIRCUIT
FOR SINGLE AND THREE PHASES
Abstract:
Power electronic is widely used in many applications such as education, industiry, 
telecommunication... Today, in Faculty of Electronic and Electrical Engineering - Hung Yen university of 
Technology and Education, training and research equipments including power electronics are primasily 
supported by projects, but so expensive and shortage of tranning and research puspose. However, the 
experimental equipments of papers are as quality as the supporsed devices by porject. More over, these 
devices are so cheap and distributed for tranning and research in electronic and electrical engineering.
Keywords: Electronic Power, Single Phase, Three Phase.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology 37
PHỤ LỤC
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển