BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG…………… Luận văn

Xây dựng bộ
chỉnh lưu cầu một pha tiristor có công suất
P = 1kW, điện áp U = 220V có
bộ lọc điện, cấp điện cho động cơ một chiều
để điều chỉnh tốc độ bằng điện
áp.

- 1 -
LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ
của các lĩnh vực khoa học, ứng dụng của điện tử công suất vào công nghiệp
nói chung và công nghiệp điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử có công suất
lớn đã đƣợc chế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng của nó vào các
ngành kinh tế quốc dân và đời sống, làm cho yêu cầu về sự hiểu biết và thiết
kế các loại thiết bị này hết sức cần thiết đối với lại kỹ sƣ ngành điện. Điện áp
một chiều là loại năng lƣợng đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền
động điện và trang bị điện. Các thiết bị sử dụng điện áp một chiều đều có dải
điều chỉnh rộng, trơn láng, đó là một yêu cầu lớn cần phải có trong các hệ
thống tự động truyền động điện. Việc sản xuất điện một chiều sử dụng máy
phát điện một chiều có nhiều tốn kém và phức tạp. Để đơn giản mà lại rất
hiệu quả thì ta dùng các bộ chỉnh lƣu.
Những kiến thức năng lực đạt đƣợc trong quá trình học tập tại trƣờng
sẽ đƣợc đánh giá qua đợt làm đồ án tốt nghiệp. Vì vậy em đã cố gắng tận

thông số quan trọng của sơ đồ chỉnh lƣu là: dòng điện và điện áp tải; dòng
điện chạy trong cuộn dây thứ cấp của mày biến áp; số lần đập mạch trong một
chu kỳ. Dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp của mày biến áp có thể là một
chiều hay xoay chiều, có thể phân loại thành sơ đồ có dòng điện biến áp một
chiều hay xoay chiều. Số lần đập mạch trong một chu kỳ là quan hệ của tần số
sóng hài thấp nhất của điện áp chỉnh lƣu với tần số điện áp xoay chiều.
Chỉnh lƣu có thể là loại có hoặc không có điều khiển, trong đề tài này
em xin đi nghiên cứu sâu về loại chỉnh lƣu có điều khiển.
1.1. CHỈNH LƢU MỘT PHA.
1.1.1. Chỉnh lƣu một nửa chu kỳ.
Ở sơ đồ chỉnh lƣu một nửa chu kỳ hình 1.1, sóng điện áp ra một chiều
sẽ bị gián đoạn trong một nửa chu kỳ, khi điện áp anot của van bán dẫn âm.
Do vậy khi sử dụng sơ đồ chỉnh lƣu một nửa chu kỳ, chất lƣợng điện áp xấu,
trị số điện áp tải trung bình lớn nhất(khi không điều khiển) đƣợc tính:
U
do
= 0,45.U
2
(1 - 1)
- 3 -
Chất lƣợng điện áp xấu và cũng cho hệ số sử dụng máy biến áp xâu:
S
ba
= 3,09.U
d
.I
d
. (1 - 2)
R
L

T

U
1t
1

U
d

I
d

t
t
T
2U
1
R Hình 1.3. Các đường cong điện áp, dòng điện tải, dòng điện các van và
điện áp của Tiristor T1.
Điện áp trung bình trên tải, khi tải thuần trở (dòng điện gián đoạn) đƣợc
tính :
U
d
= U
do
.(1+cos )/2. (1 - 3)
Trong đó:
U
do
- Điện áp chỉnh lƣu không điều khiển và bằng:
U
do
= 0,9.U
2

- Góc mở của các Tiristor.
Khi tải điện cảm lớn, dòng điện, điện áp tải liên tục, lúc này điện áp một
chiều đƣợc tính:
U
d
= U
do
.cos (1 - 4)

0
I
1

I
2

U
T1t
1

t
2

t
3

U
d

I
d

I
1

I

hd
= 0,71.I
d
.
Một số ƣu nhƣợc điểm của sơ đồ.
So với chỉnh lƣu một nửa chuy kỳ thì loại chỉnh lƣu này có chất lƣợng
điện áp tốt hơn. Dòng điện chạy qua van không quá lớn, tổng điện áp rơi trên
van nhỏ. Đối với chỉnh lƣu có điều khiển, thì sơ đồ hình 1.2 nói chung và việc
điều khiển các van bán dẫn ở đây tƣơng đối đơn giản. Tuy vậy việc chế tạo
biến áp có hai cuộn dây thứ cấp giống nhau, mà mỗi cuộn chỉ làm việc ở một
nửa chu kỳ là rất phức tạp, hiệu suất sử dụng máy biến áp xấu đi. Mặt khác
điện áp ngƣợc của các van bán dẫn phải chịu có trị số lớn nhất, làm cho việc
lựa chọn van bán dẫn khó hơn.
1.1.3. Chỉnh lƣu cầu một pha đối xứng.
Chỉnh lƣu cầu một pha đối xứng đƣợc cấu tạo từ bốn tiristor mắc theo
hình 1.4.
Hoạt động của sơ đồ khái quát có thể mô tả nhƣ sau. Trong nửa chu kỳ
đầu (U
AB
> 0) điện áp anod của Tiristor T
1
dƣơng (catod T
2
âm), nếu có xung
điều khiển mở cho cả hai van T
1
,T
2
đồng thời, thì các van này sẽ đƣợc dẫn để
đặt điện áp lƣới lên tải.Điện áp tải một chiều còn trùng với điện áp xoay chiều

=
2
.U
2
. Việc điều khiển đồng thời các Tiristor T
1
,T
2
và T
3
,T
4
có thể thực
hiện đƣợc bằng nhiều cách, một trong những cách đơn giản nhất là sử dụng
biến áp xung có hai cuộn thứ cấp nhƣ hình 1.5. ` 1.1.4. Chỉnh lƣu cầu một pha không đối xứng.
Điều khiển các Tiristo trong sơ đồ hình 1.4 đôi lúc gặp khó khăn khi
cần mở tiristo đồng thời, nhất là khi công suất xung không đủ lớn. Để tránh
việc mở đồng thời các van nhƣ trên, mà chất lƣợng điện áp chừng mực nào đó
T
4


3
)

T
2

(T
4
) D

D
Hình 1.5 Phương án cấp xung chỉnh lưu cầu 1 pha.

- 7 -
vẫn có thể đáp ứng đƣợc, ngƣời ta có thể sử dụng chỉnh lƣu cầu một pha
không đối xứng.
Chỉnh lƣu cầu một pha không đối xứng có thể thực hiện bằng hai
phƣơng án khác nhau nhƣ hình 1.6. Giống nhau ở hai sơ đồ này là: chúng đều
có hai Tiristor và hai điốt, mỗi lần cấp xung điều khiển chỉ cần một xung;
điện áp một chiều trên tải có hình dạng nhƣ trên hình 1.7a,b và trị số giống
nhau, đƣờng cong điện áp tải chỉ có phần điện áp dƣơng, nên sơ đồ không làm
việc với tải có nghịch lƣu trả năng lƣợng về lƣới. Sự khác nhau giữa hai sơ đồ
trên đƣợc thể hiện rõ rệt khi làm việc với tải điện cảm lớn, lúc này dòng điện
chạy qua các van điều khiển và không điều khiển sẽ khác nhau.

1
sẽ
bị khoá khi có xung mở T
2
. Kết quả là chuyển mạch các van có điều khiển
đƣợc thực hiện bằng việc mở van kế tiếp. Từ những giải thích trên thấy rằng,
các van bán dẫn đƣợc dẫn trong một nửa chu kì (các điốt dẫn từ đầu đến cuối
nửa chu kì điện áp âm catod, còn các Tiristor đƣợc dẫn từ thời điểm có xung
mở và bị khoá bởi việc mở Tiristor ở nửa chu kì kế tiếp). Về trị số, dòng điện
U R
T
1T
2

L
D
2D
1D

= 0,71. I
d
.
Theo sơ đồ hình 1.6b (với minh họa bằng các đƣờng cong hình 1.7b),
khi điện áp lƣới đặt vào anod và catod của các tiristor thuận chiều và có xung
điều khiển, thì việc dẫn của các van hoàn toàn giống nhƣ sơ đồ hình 1.6a. Khi
điện áp đổi dấu, năng lƣợng của cuộn dây L đƣợc xả ra qua các điốt D
1
, D
2
,
các van này đóng vai trò của điốt ngƣợc. Chính do đó mà các Tiristor sẽ tự
động khoá khi điện áp đổi dấu. Từ đƣờng cong dòng điện các van trên hình
1.7b có thể thấy rằng, ở sơ đồ này dòng điện qua tiristor nhỏ hơn dòng điện
qua các điốt. Hình 1.7 Giản đồ các đường cong.
a- cho hình 1.6a; b- cho hình 1.6b.
Nhìn chung, các loại chỉnh lƣu cầu một pha có chất lƣợng điện áp tƣơng
đƣơng nhƣ chỉnh lƣu cả chu kì với biến áp có trung tính. Chất lƣợng điện áp

t
t
t
t
t
t
a.
0
t
1

t
2

t
3

U
d

I
d

I
T1

I
T2

I

0
theo
các đƣờng cong điện áp pha, có điện áp của một pha dƣơng hơn điện áp của
hai pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kì (120
0
). Từ đó thấy rằng, tại mỗi
thời điểm chỉ có điện áp của một pha dƣơng hơn hai pha kia.
Nguyên tắc điều khiển các tiristor ở đây là: khi anod của tiristor nào
dƣơng hơn tiristor đó mới đƣợc kích mở. Thời điểm điện áp của hai pha giao
nhau đƣợc coi là góc thông tự nhiên của các tiristor. Các tiristior chỉ đƣợc mở
với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc thông tự nhiên (nhƣ vậy trong chỉnh
lƣu ba pha, góc mở nhỏ nhất = 0
0
sẽ dịch pha so với điện áp pha một góc là
30
0
).
- 10 -

1

B
T
2

C
T
3

A

R
L

a.
b.
t
1

t
2

t
3

t

d

c.
U
d

I
d

U
T1

I
1

I
2

I
3

0

t
t
t
t
t
t
1

AB
, đến khoảng t
3
t
4
các tiristor
T
1
, T
2
khoá, còn T
3
dẫn lúc này T
1
chịu điện áp dây U
AC
.
Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ
thuộc góc mở của các Tiristor. Nếu góc mở Tiristor nhỏ hơn 30
0
, các
đƣờng cong U
d
, I
d
liên tục hình 1.8b, khi góc mở lớn hơn 30
0
điện áp và
dòng điện tải gián đoạn (đƣờng cong U
d

. điện áp chỉnh lƣu tia ba pha khi van là điốt.
t
a.
A
B
C
A
U
t
b.
A
B
C
A
U
)
5
1
(
3
sin
1
3
Udo
Ud
T
1
, T
3
, T
5
tạo thành một chỉnh lƣu tia ba pha cho điện áp dƣơng, nhóm catod
(NK) T
2
, T
4
, T
6
tạo thành một chỉnh lƣu tia cho điện áp âm, hai chỉnh lƣu này
ghép lại thành cầu ba pha.
Theo hoạt động của chỉnh lƣu cầu ba pha đối xứng, dòng điện chạy qua
tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm cần mở
Tiristor đòi hỏi cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở nhóm NA,
một xung ở nhóm NK).
Ví dụ tại thời điểm t
1
trên hình 1.11b cần mở Tiristor T
1
của pha A phía
NA cấp xung X
1
, đồng thời tại đó cấp thêm xung X
4
cho Tiristor T
4Hình1.10 Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng.
a- sơ đồ động lực, b-giản đồ các đường cong điện áp cơ bản,
c, d – Điện áp tải khi góc mở = 60
0

c.
Ud
Uf
A
B
C
A
t
t
A
B
C
A
X
1

t
1

t
2

I
3

I
1

U
T1

I
2

I
6

X
5

X
2

X
3

X
6

X
4


t
t
t
Ud
Uf
A
B
C
A
d.
t
t
T
2R

L
a.
NK
NA
T
4

NK) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho nhau. Điều này có thể thấy rõ
trong khoảng t
1
t
3
nhƣ trên hình 1.10b Tiristor T
1
nhóm NA dẫn, nhƣng
trong nhóm NK T
4
dẫn trong khoảng t
1
t
2
còn T
6
dẫn tiếp trong khoảng t
2

t
3
.
Điện áp ngƣợc các van phải chịu ở chỉnh lƣu cầu ba pha sẽ bằng 0 khi
van dẫn và bằng điện áp dây khi van khoá. Ta có thể lấy ví dụ cho van T
1

(đƣờng cong cuối cùng của hình 1.10b) trong khoảng t
1
t
3

0
và thành phần điện cảm
của tải quá nhỏ, điện áp tải sẽ bị gián đoạn nhƣ các đƣờng nét đậm trên hình
1.10d(cho trƣờng hợp góc mở các Tiristor =90
0
với tải thuần trở).
Trong các trƣờng hợp này dòng điện chạy từ pha này về pha kia là do
các van bán dẫn có phân cực thuận theo điện áp dây đặt lên chúng (các đƣờng
nét mảnh trên giản đồ U
d
của các hình 1.10b, c, d), cho tới khi điện áp dây đổi
dấu, các van bán dẫn sẽ có phân cực ngƣợc nên chúng tự khoá.
- 15 -
Bảng 1.1 Thứ tự mở các Tiristo trong chỉnh lưu cầu 3 pha.
Thời điểm
Mở
Khóa
1
6

T1
T5
2
3
6

T2

Loại chỉnh lƣu này đƣợc cấu tạo từ một nhóm (NA hoặc NK) có điều
khiển và một nhóm không điều khiển nhƣ mô tả trên hình 1.11a. Trên hình
1.11b mô tả giản đồ điện áp chỉnh lƣu (đƣờng cong trên cùng), sóng điện áp
tải U
d
(đƣờng cong nét đậm thứ hai trên hình 1.11b), khoảng dẫn các van bán
dẫn T
1
, T
2
, T
3
, D
1
, D
2
, D
3
. Các Tiristor đƣợc dẫn từ thời điểm có xung mở cho
đến khi mở Tiristor của pha kế tiếp.
Ví dụ T
1
dẫn từ t
1
(thời điểm phát xung mở T
1
) tới t
3
(thời điểm phát
xung mở T


Hình 1.11 Chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng.
a- sơ đồ động lực, b- giản đồ các đường cong điện áp.
Theo dạng sóng điện áp tải, trị số điện áp trung bình trên tải bằng 0 khi
góc mở đạt tới 180
0
. Ngƣời ta có thể coi điện áp trung bình trên tải là kết quả
của tổng hai điện áp chỉnh lƣu tia ba pha.
D
1

T
1
2

t
3

t
4

t
5

t
6

t
7

U
d

A
B
C
A
Uf
I
T1

0
I

UUU
(1- 6)
Điều khiển các tiristor trong chỉnh lƣu cầu ba pha không đối xứng dễ
dàng hơn, nhƣng các điều hoà bậc cao của tải và của nguồn lớn hơn.
Khác với chỉnh lƣu cầu ba pha đối xứng, trong sơ đồ này việc điều
khiển các van bán dẫn đƣợc thực hiện đơn giản hơn. Ta có thể coi mạch điều
khiển của bộ chỉnh lƣu này nhƣ điều khiển một chỉnh lƣu tia ba pha. Chỉnh
lƣu cầu ba pha hiện nay là sơ đồ có chất lƣợng điện áp tốt nhất, hiệu suất sử
dụng biến áp tốt nhất. Tuy vậy đây cũng là sơ đồ phức tạp.
1.3. CHỈNH LƢU KHI CÓ ĐIỐT NGƢỢC.
Dƣới đây là sơ đồ chỉnh lƣu hai nửa chu kỳ với biến áp có điểm trung
tính khi có điốt mắc song song ngƣợc.
Hình 1.12 Sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ có diode ngược
a- Sơ đồ động lực; b- Giản đồ đường cong.
Nhƣ đã nêu ở trên, khi chỉnh lƣu làm việc với tải điện cảm lớn (L =
H), năng lƣợng của cuộn dây tích luỹ sẽ đƣợc xả ra khi điện áp nguồn đổi dấu.
t

0
t
1

2

p
3

U
T1

U
1

T
1

U
2

T
2

D
R

L

U
2

a.
b.

) khi tiristor đƣợc phân cực thuận. Khi điện áp đổi
dấu, năng lƣợng của cuộn dây tích lũy xả qua điốt, để tiếp tục duy trì dòng
điện I
d
trong mạch tải. Hình 1.13 Chỉnh lưu tia ba pha có điốt xả năng lượng.
a- Sơ đồ; b- Giản đồ các đường cong điện áp, dòng điện.
Hình 1.13 là chỉnh lƣu tia ba pha có điốt ngƣợc với tải có điện cảm lớn,
dòng điện tải giả thiết là đƣờng thẳng. Trong các khoảng tiristor dẫn (t
1
p
2
,

2

C
T
3

A

R
L

a.
D
b.
U
d

0

I
d

I
D

I
1

I
2

t
t
t
t
- 19 -
Nhƣ vậy, mặc dù tải có điện cảm lớn, dòng điện tải liên tục (gần với
đƣờng thẳng), nhƣng điện áp tải có dạng gián đoạn nhƣ tải thuần trở. Điều đó
có nghĩa là năng lƣợng của cuộn dây điện cảm đã tích luỹ khi điện áp dƣơng
đƣợc xả qua điốt lên tải trong thời gian điện áp đổi dấu.
1.4. TỔNG KẾT CHƢƠNG 1.
Trong chƣơng 1 chúng ta nghiên cứu các bộ chỉnh lƣu có điều khiển,
các bộ chỉnh lƣu đó đều có các ƣu, nhƣợc điểm riêng. Trong đề tài nghiên cứu
của em sẽ đi sâu và nghiên cứu, thiết kế bộ chỉnh lƣu cầu một pha có điểu
khiển đối xứng với công suất khoảng 1kw, có cuộn kháng lọc điện cấp điện
cho động cơ một chiều để điều chỉnh tốc độ theo phƣơng pháp điều chỉnh
điện áp. Trình tự thiết kế sẽ đƣợc trình bày chi tiết trong chƣơng sau.

- 20 -

làm việc,van rất nhạy với sự thay đổi của nhiệt độ,điện áp và dòng điện. Hai
thông số để chọn van là điện áp và dòng điện.
Điện áp ngƣợc lớn nhất đặt trên van:

VUU
ng
311220.2.2
2max
.

Chọn U
ngmax
= 311 (V).
Điện áp ngƣợc mà van chịu đƣợc là:
U
ngv
= k
dtU
.U
ngmax
= 1,6 . 311 = 497 (V).
k
dtU
: Hệ số dự trữ điện áp chọn k
dtU
= 1,6.
Chọn U
ngv
= 500 (V).
Để cho van bán dẫn làm việc an toàn, nhiệt độ làm việc của van không

đm
. Quá trình làm mát bằng nƣớc phải đảm bảo
xử lý nƣớc không dẫn điện. Bằng cách khử ion trong nƣớc hoặc giảm độ dẫn
điện của nƣớc ( tăng điện trở nƣớc) theo nguyên tắc chiều dài hay giảm tiết
diện đƣờng cong ống dẫn nƣớc ta có thể coi độ dẫn điện của nƣớc không đáng
kể.
Ta chọn chế độ làm việc của van là có cánh tản nhiệt và có đủ diện tích
tản nhiệt, không có quạt đối lƣu không khí, với điều kiện này đó dòng điện
định mức của van là:
I
lv
= 25% i
đm

Trong đó:
AIkII
dhdhdlv
63,3
195
1000
.
2
1
.

(do trong sơ đồ cầu 1 pha, hệ số dòng điện hiệu dụng: k
hd
=
2
1

= 2 V
Dòng điện rò : I
r
= 4 mA
Sụt áp lớn nhất của Tiristo ở trạng thái dẫn : U
max
=1.7V
Tốc độ biến thiên điện áp: du/dt = 100 V/ s
Thời gian chuyển mạch (mở và khóa) T
cm
= 35 s
Nhiệt độ làm việc lớn nhất : T
max
=110
0
C
2.2. TÍNH TOÁN CUỘN KHÁNG LỌC ĐIỆN.
2.2.1. Xác định góc mở cực tiểu và cực đại.
Chọn góc mở cực tiểu
min
= 10
o
. Với góc mở
min
là dự trữ để có thể
bù đƣợc sự giảm điện áp lƣới.
Khi góc mở nhỏ nhất =
min
thì điện áp trên tải là lớn nhất.
U

d
U
U
min
= arcos
2
min
.9,0 U
U
d

Trong đó U
d min
đƣợc xác định nhƣ sau.
D =
min
max
n
n
=
uudmd
uudmddm
RIU
RIU
.
min

U
d min
=

I
U
= 0,5 (1- 0,85)
35.5
220
= 16,5 (V)
0008,3.35,5.120cos.220.9,0.
20
1
U
mindmin

U
d min
= 16,5 V
Thay số vào (4.3) ta đƣợc:
max
= arcos
do
d
U
U
min
= arcos
220.9,0
5,16
= 85,22
0
2.2.2. Xác định các thành phần của sóng hài.
Điện áp tức thời trên tải khi Thyristor T

o
d
.2sin 2cos.
1
2).2(.
1
2
kkSinUnm
k
a
o

Trong đó
a =
0
2cos.
2
dkU
d
=
dkU 2cos.)cos(.2
2
0
2

a
n

2.2
2
2
k
U

Ta có
2
o
a
=
2
.
2.2
U
.
cos

Vậy ta có biên độ của điện áp:
U
k.n
=
22
nn
ba

U
k.n
= 2.
2