Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất - Phạm Quốc Hải (ĐH Bách Khoa Hà Nội)

Giáo trình về Điều khiển cac bộ biến đổi giáo trình chính, biên soạn theo chương trình đào tạo chuẩn, hệ thống hóa kiến thức từ cơ bản đến nâng cao.

• Đề tài: Điều Khiển Cac Bộ Biến Đổi Giáo Trình Chính

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CHỈNH LƯU
• 1.1. CÁC THAM SỐ CỦA CHỈNH LƯU VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT
• 1.1.1. Cấu trúc chỉnh lưu
• 1.1.2. Các tham số của mạch chỉnh lưu
• 1.1.3. Yêu cầu kỹ thuật cần cho thiết kế
• 1.1.3.1. Các số liệu và yêu cầu của nguồn xoay chiều cấp cho BCL
• 1.1.3.2. Các số liệu và yêu cầu từ phía tải của chỉnh lưu
• 1.2. NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI THAM SỐ CHỈNH LƯU
• 1.2.1. Ảnh hưởng của điện áp nguồn
• 1.2.2. Ảnh hưởng của tần số và dạng điện áp nguồn
• 1.2.3. Ảnh hưởng của dòng điện tải
• 1.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 1.3. CÁC MẠCH CHỈNH LƯU CƠ BẢN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG
• 1.3.1. Các sơ đồ chỉnh lưu chính
• 1.3.2. Các dạng tải của chỉnh lưu
• 1.3.3. Tham số của các mạch chỉnh lưu cơ bản
• 1.3.4. Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ
• 2. CHƯƠNG 2: ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU
• 3. CHƯƠNG 3: BĂM XUNG MỘT CHIỀU
• 4. CHƯƠNG 4: NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP VÀ BIẾN TẦN
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM MẠCH THIẾT KẾ
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Hướng dẫn toàn diện về điều khiển bộ biến đổi công suất

Lĩnh vực điện tử công suất đóng vai trò xương sống trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng hiện đại, từ thiết bị gia dụng đến các hệ thống công nghiệp quy mô lớn. Trọng tâm của ngành này là các bộ biến đổi điện tử công suất, những thiết bị có khả năng biến đổi dòng điện và điện áp từ dạng này sang dạng khác một cách hiệu quả. Tuy nhiên, để các bộ biến đổi này hoạt động chính xác và tối ưu, cần có một hệ thống điều khiển tinh vi. Điều khiển các bộ biến đổi không chỉ đơn thuần là việc bật tắt các linh kiện bán dẫn; đó là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa lý thuyết điều khiển tự động, kiến thức sâu rộng về mạch điện và kỹ năng mô hình hóa hệ thống. Mục tiêu chính là đảm bảo đầu ra của bộ biến đổi (điện áp, dòng điện, tần số) bám sát giá trị mong muốn một cách nhanh chóng và ổn định, bất chấp sự biến động của nguồn cấp và tải. Việc nắm vững các nguyên tắc điều khiển là yêu cầu bắt buộc đối với sinh viên và kỹ sư ngành điện, đặc biệt khi thực hiện các đồ án điện tử công suất hoặc nghiên cứu các hệ thống tiên tiến như hệ thống truyền động điện. Các tài liệu và slide bài giảng chuyên ngành thường tập trung vào việc phân tích và thiết kế các vòng điều khiển để tối ưu hóa hiệu suất, giảm tổn hao và nâng cao độ tin cậy của toàn hệ thống.

1.1. Giới thiệu tổng quan về ngành điện tử công suất

Điện tử công suất là một nhánh kỹ thuật chuyên nghiên cứu và ứng dụng các linh kiện bán dẫn công suất (như Thyristor, Diode, Transistor) để biến đổi và điều khiển năng lượng điện. Theo cuốn sách “Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất”, lĩnh vực này có vị trí không thể thiếu trong các hệ thống sản xuất và tự động hóa. Các ứng dụng của nó rất đa dạng, bao gồm bộ chỉnh lưu điều khiển để biến đổi AC-DC, bộ nghịch lưu để chuyển đổi DC-AC, và bộ băm xung DC-DC để thay đổi mức điện áp một chiều. Mỗi loại biến đổi này đều yêu cầu các thuật toán và cấu trúc điều khiển riêng biệt để đạt được hiệu suất cao và đáp ứng động học nhanh. Sự phát triển của công nghệ vi xử lý và DSP (Digital Signal Processor) đã mở ra những phương pháp điều khiển số hóa tiên tiến, cho phép thực hiện các thuật toán phức tạp với độ chính xác cao.

1.2. Vai trò của các bộ biến đổi trong hệ thống năng lượng

Các bộ biến đổi điện tử công suất là cầu nối quan trọng giữa nguồn năng lượng và tải tiêu thụ. Chúng cho phép tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo (mặt trời, gió) vào lưới điện, điều khiển tốc độ động cơ trong hệ thống truyền động điện, cung cấp nguồn ổn định cho các thiết bị điện tử nhạy cảm, và sạc cho các hệ thống lưu trữ năng lượng như pin và ắc quy. Ví dụ, một bộ nghịch lưu là thành phần cốt lõi trong hệ thống điện mặt trời nối lưới, trong khi các bộ biến đổi buck-boost lại không thể thiếu trong các thiết bị di động. Khả năng điều khiển chính xác công suất luân chuyển qua các bộ biến đổi giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, giảm chi phí vận hành và nâng cao độ ổn định của toàn bộ hệ thống điện.

II. Thách thức chính trong mô hình hóa và điều khiển hệ thống

Việc thiết kế một hệ thống điều khiển hiệu quả cho các bộ biến đổi điện tử công suất phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật. Một trong những khó khăn lớn nhất đến từ bản chất phi tuyến và chuyển mạch của các bộ biến đổi. Các linh kiện bán dẫn hoạt động ở hai trạng thái bật hoặc tắt, tạo ra các cấu trúc topo mạch thay đổi liên tục, khiến việc mô hình hóa hệ thống bằng các phương trình toán học tuyến tính trở nên khó khăn. Theo tài liệu gốc, các yếu tố như dao động điện áp nguồn, thay đổi đột ngột của tải, và nội trở của các linh kiện đều ảnh hưởng trực tiếp đến điện áp đầu ra. Ví dụ, “độ dao động điện áp nguồn có thể lên tới +10% và -20%”, gây ra sai lệch lớn nếu không có cơ chế điều khiển bù trừ hiệu quả. Hơn nữa, việc áp dụng lý thuyết điều khiển tự động cổ điển không phải lúc nào cũng mang lại kết quả tối ưu do các đặc tính biến đổi theo thời gian của hệ thống. Do đó, các kỹ sư cần các phương pháp mô hình hóa tiên tiến hơn, như mô hình trung bình hóa không gian trạng thái, để có thể thiết kế các bộ điều khiển mạnh mẽ và chính xác.

2.1. Khó khăn trong ứng dụng lý thuyết điều khiển tự động

Việc áp dụng lý thuyết điều khiển tự động vào điện tử công suất không hề đơn giản. Các bộ biến đổi là các hệ thống có tần số chuyển mạch cao, đòi hỏi bộ điều khiển phải có tốc độ đáp ứng cực nhanh. Các bộ điều khiển tuyến tính kinh điển như bộ điều khiển PID mặc dù phổ biến nhưng có thể không hoạt động tốt trên toàn bộ dải làm việc của hệ thống do tính phi tuyến. Ngoài ra, sự trễ trong khâu đo lường và tính toán của bộ điều khiển số cũng có thể gây ra mất ổn định hệ thống. Các vấn đề như cộng hưởng trong bộ lọc LC, tương tác giữa bộ biến đổi và lưới điện, hay ảnh hưởng của vùng dẫn gián đoạn của dòng điện cũng là những bài toán phức tạp đòi hỏi các giải pháp điều khiển nâng cao.

2.2. Tầm quan trọng của việc mô hình hóa hệ thống chính xác

Mô hình hóa hệ thống là bước nền tảng và quyết định đến sự thành công của việc thiết kế bộ điều khiển. Một mô hình không chính xác sẽ dẫn đến bộ điều khiển hoạt động sai lệch, gây ra dao động, vọt lố lớn hoặc thậm chí mất ổn định. Đối với các bộ biến đổi điện tử công suất, mô hình cần phản ánh được cả đặc tính động học tần số thấp (liên quan đến đáp ứng của tải) và tần số cao (liên quan đến gợn sóng do chuyển mạch). Các công cụ như mô phỏng Matlab Simulink trở nên vô giá, cho phép các nhà thiết kế xây dựng mô hình chi tiết của bộ biến đổi, kiểm chứng hoạt động của bộ điều khiển trước khi triển khai trên phần cứng thực tế. Điều này giúp tiết kiệm thời gian, chi phí và giảm thiểu rủi ro hỏng hóc thiết bị.

III. Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi PID PWM Vector

Để giải quyết các thách thức trong việc điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất, nhiều phương pháp đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi. Phổ biến nhất là việc sử dụng bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) trong các vòng điều khiển dòng điện và điện áp. PID được ưa chuộng nhờ cấu trúc đơn giản, dễ triển khai và hiệu quả trong việc khử sai số xác lập. Để điều khiển các van bán dẫn, kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp tiêu chuẩn. PWM cho phép điều khiển giá trị trung bình của điện áp hoặc dòng điện đầu ra bằng cách thay đổi độ rộng của các xung điện áp cấp cho van. Trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao như hệ thống truyền động điện, các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn như điều khiển vector (Field-Oriented Control - FOC) được sử dụng. Phương pháp này cho phép điều khiển độc lập momen và từ thông của động cơ xoay chiều, mang lại đáp ứng động học nhanh và chính xác tương tự động cơ một chiều.

3.1. Ứng dụng bộ điều khiển PID trong ổn định hệ thống

Bộ điều khiển PID là công cụ kinh điển trong lý thuyết điều khiển tự động. Trong các bộ biến đổi, nó thường được triển khai trong cấu trúc điều khiển vòng lồng, với vòng trong điều khiển dòng điện và vòng ngoài điều khiển điện áp hoặc tốc độ. Khâu tỉ lệ (P) giúp tăng tốc độ đáp ứng, khâu tích phân (I) loại bỏ sai số xác lập, và khâu vi phân (D) cải thiện độ ổn định và giảm vọt lố. Việc tinh chỉnh các thông số Kp, Ki, Kd của bộ PID là một bước quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điều khiển. Hiện nay, các thuật toán PID tự chỉnh (Auto-tuning) đang ngày càng phổ biến, giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế.

3.2. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM cho bộ nghịch lưu

Điều chế độ rộng xung PWM là kỹ thuật nền tảng để tạo ra điện áp xoay chiều từ nguồn một chiều trong các bộ nghịch lưu. Nguyên lý cơ bản là so sánh một tín hiệu sóng mang tần số cao (thường là sóng tam giác) với một tín hiệu điều khiển tần số thấp (sóng sin). Kết quả so sánh sẽ tạo ra các xung đóng cắt cho các van công suất. Bằng cách thay đổi biên độ và tần số của tín hiệu điều khiển, điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu có thể được điều chỉnh một cách linh hoạt. Các kỹ thuật PWM nâng cao như PWM vector không gian (SVPWM) còn giúp tối ưu hóa việc sử dụng điện áp DC, giảm sóng hài và cải thiện hiệu suất của bộ biến đổi.

IV. Top 4 bộ biến đổi công suất và kỹ thuật điều khiển cốt lõi

Thế giới điện tử công suất rất đa dạng với nhiều loại bộ biến đổi khác nhau, mỗi loại phục vụ một mục đích riêng. Tuy nhiên, có bốn loại cơ bản tạo nên nền tảng cho hầu hết các ứng dụng. Đầu tiên là bộ chỉnh lưu điều khiển, có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ AC sang DC, được sử dụng rộng rãi trong các bộ nguồn, bộ sạc và truyền động động cơ DC. Thứ hai là bộ nghịch lưu, thực hiện quá trình ngược lại, chuyển đổi DC sang AC, là trái tim của các hệ thống UPS, biến tần và điện mặt trời. Thứ ba là bộ băm xung DC-DC, chuyên dùng để tăng hoặc giảm điện áp một chiều. Cuối cùng, các cấu trúc phức tạp hơn như bộ biến đổi buck-boost cho phép thực hiện cả hai chức năng tăng và giảm áp. Việc điều khiển hiệu quả các bộ biến đổi này là chìa khóa để xây dựng các tài liệu môn học và slide bài giảng chất lượng, cũng như hoàn thành tốt các đồ án điện tử công suất thực tế.

4.1. Nguyên lý hoạt động của bộ chỉnh lưu điều khiển

Bộ chỉnh lưu điều khiển sử dụng các van bán dẫn có điều khiển như Thyristor để biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều có thể điều chỉnh được. Theo tài liệu tham khảo, bằng cách thay đổi “góc điều khiển” hay “góc mở thyristor” (góc α), giá trị trung bình của điện áp ra có thể được kiểm soát. Cấu trúc của bộ chỉnh lưu thường bao gồm biến áp lực, mạch van, mạch điều khiển và bộ lọc san bằng. Các sơ đồ phổ biến bao gồm chỉnh lưu cầu một pha và cầu ba pha. Việc điều khiển chính xác góc α cho phép điều chỉnh công suất cấp cho tải, một ứng dụng điển hình là điều khiển tốc độ động cơ DC.

4.2. Điều khiển bộ nghịch lưu và ứng dụng trong biến tần

Bộ nghịch lưu là thiết bị không thể thiếu để tạo ra điện áp xoay chiều. Việc điều khiển bộ nghịch lưu tập trung vào việc tạo ra các chuỗi xung PWM để điện áp đầu ra có dạng gần sin nhất có thể. Trong các biến tần công nghiệp, bộ nghịch lưu kết hợp với bộ chỉnh lưu để tạo thành một hệ thống AC-DC-AC hoàn chỉnh, cho phép điều khiển tốc độ và momen của động cơ xoay chiều một cách chính xác. Các thuật toán như điều khiển vector và điều khiển trực tiếp momen (DTC) được tích hợp để đạt được hiệu suất động học cao nhất.

4.3. Phân loại và điều khiển bộ băm xung DC DC

Bộ băm xung DC-DC (DC Chopper) có chức năng chính là thay đổi một mức điện áp DC này sang một mức điện áp DC khác. Các cấu trúc phổ biến nhất bao gồm bộ hạ áp (Buck), bộ tăng áp (Boost), và bộ biến đổi buck-boost. Việc điều khiển được thực hiện bằng cách thay đổi chu kỳ làm việc (duty cycle) của xung PWM cấp cho van công suất. Khi chu kỳ làm việc thay đổi, tỉ lệ giữa điện áp đầu vào và đầu ra cũng thay đổi theo. Các bộ biến đổi này được ứng dụng rộng rãi trong các bộ nguồn chuyển mạch (SMPS), hệ thống điện trên xe hơi và các thiết bị điện tử cầm tay.

V. Cách mô phỏng Matlab Simulink cho hệ thống truyền động

Trước khi chế tạo và thử nghiệm phần cứng, việc mô phỏng là một bước cực kỳ quan trọng và hiệu quả trong lĩnh vực điện tử công suất. Mô phỏng Matlab Simulink là công cụ mạnh mẽ và được sử dụng phổ biến nhất cho mục đích này. Nó cung cấp một môi trường đồ họa trực quan, cho phép người dùng xây dựng mô hình của các bộ biến đổi điện tử công suất bằng cách kéo và thả các khối chức năng có sẵn. Thư viện Simscape Electrical (trước đây là SimPowerSystems) cung cấp các mô hình chi tiết của linh kiện bán dẫn, động cơ, máy biến áp và các phần tử mạch khác. Sinh viên có thể sử dụng Simulink để thực hiện đồ án điện tử công suất, kiểm tra các thuật toán điều khiển như bộ điều khiển PID hay điều khiển vector, và phân tích các dạng sóng điện áp, dòng điện tại bất kỳ điểm nào trong mạch. Việc mô phỏng giúp phát hiện sớm các lỗi thiết kế, tối ưu hóa các thông số điều khiển và hiểu sâu hơn về hoạt động của hệ thống truyền động điện.

5.1. Xây dựng mô hình bộ biến đổi trên Simulink

Để bắt đầu mô phỏng Matlab Simulink, người dùng cần xây dựng mô hình của mạch lực. Ví dụ, để mô phỏng một bộ nghịch lưu ba pha, cần lấy ra 6 khối IGBT/Diode từ thư viện, một nguồn áp DC và một tải AC ba pha. Các khối này được kết nối với nhau theo đúng sơ đồ nguyên lý. Tiếp theo, xây dựng khối điều khiển, bao gồm bộ tạo tín hiệu sin tham chiếu, bộ tạo sóng mang tam giác, và các khối so sánh để tạo ra tín hiệu PWM. Các tín hiệu này sau đó được đưa đến cổng điều khiển của các khối IGBT. Việc xây dựng mô hình một cách có cấu trúc giúp dễ dàng gỡ lỗi và hiệu chỉnh.

5.2. Phân tích kết quả mô phỏng hệ thống truyền động điện

Sau khi mô hình hoàn tất, quá trình mô phỏng được chạy trong một khoảng thời gian xác định. Kết quả có thể được quan sát thông qua các khối Scope (dao động ký ảo). Người dùng có thể phân tích dạng sóng của điện áp ra, dòng điện tải, và các tín hiệu điều khiển. Các công cụ phân tích FFT (Fast Fourier Transform) có sẵn cho phép đánh giá chất lượng phổ của tín hiệu, xác định các thành phần sóng hài và tính toán tổng độ méo hài (THD). Đối với hệ thống truyền động điện, có thể quan sát đáp ứng của tốc độ và momen động cơ khi có sự thay đổi về tải hoặc giá trị đặt, từ đó đánh giá chất lượng của thuật toán điều khiển.

VI. Tổng hợp tài liệu môn học và định hướng tương lai ngành

Ngành điện tử công suất và điều khiển tự động đang phát triển không ngừng, được thúc đẩy bởi nhu cầu về hiệu suất năng lượng cao và sự tích hợp của các nguồn năng lượng tái tạo. Để bắt kịp xu hướng, sinh viên và kỹ sư cần liên tục cập nhật kiến thức thông qua các tài liệu môn học, sách chuyên khảo, và các bài báo khoa học. Các slide bài giảng từ những trường đại học uy tín là nguồn tham khảo quý giá, tóm tắt những kiến thức cốt lõi về lý thuyết điều khiển tự động và các loại bộ biến đổi điện tử công suất. Tương lai của ngành điều khiển tập trung vào các giải pháp thông minh hơn, chẳng hạn như ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (Machine Learning) để tối ưu hóa hoạt động của bộ biến đổi, dự đoán lỗi và tự động tinh chỉnh thông số. Các bộ biến đổi sử dụng vật liệu bán dẫn dải rộng (Wide-bandgap) như SiC và GaN cũng hứa hẹn mang lại hiệu suất vượt trội và kích thước nhỏ gọn hơn, mở ra những thách thức và cơ hội mới trong lĩnh vực điều khiển.

6.1. Nguồn tài liệu môn học và slide bài giảng uy tín

Việc tìm kiếm tài liệu môn học chất lượng là rất quan trọng. Các cuốn sách kinh điển như “Power Electronics: Converters, Applications, and Design” của Ned Mohan hay “Fundamentals of Power Electronics” của Erickson và Maksimovic là những tài liệu nền tảng. Tại Việt Nam, cuốn “Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất” cung cấp nhiều ví dụ tính toán thực tế. Ngoài ra, các khóa học trực tuyến trên Coursera, edX và các kho slide bài giảng từ các trường đại học kỹ thuật hàng đầu thế giới (MIT, Stanford) cũng là nguồn học liệu phong phú và cập nhật, hỗ trợ đắc lực cho việc nghiên cứu và làm đồ án điện tử công suất.

6.2. Xu hướng phát triển của bộ biến đổi và kỹ thuật điều khiển

Trong tương lai, các bộ biến đổi điện tử công suất sẽ ngày càng thông minh và hiệu quả hơn. Xu hướng chính bao gồm việc thu nhỏ kích thước nhờ vào việc tăng tần số chuyển mạch với các linh kiện SiC/GaN, và tích hợp các chức năng điều khiển, giám sát và truyền thông vào một chip duy nhất. Về mặt điều khiển, các thuật toán điều khiển dự báo mô hình (Model Predictive Control - MPC) đang nhận được nhiều sự quan tâm do khả năng xử lý các ràng buộc và tính phi tuyến một cách tối ưu. Sự kết hợp giữa điện tử công suất và IoT (Internet of Things) sẽ tạo ra các hệ thống năng lượng thông minh, có khả năng tự giám sát, tự chẩn đoán và tối ưu hóa hoạt động theo thời gian thực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I Thư viện tài liệu kỹ thuật miễn phí CHỈNH LƯU 4. CAC THAM SO CUA CHINH LUU VA YEU CAU KY THUẬT 1. Cấu trúc chỉnh lưu Bộ chỉnh lưu (BCL) dùng để biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều cấp cho tải. Lĩnh vực ứng dụng cia BCL rat rong rai vi chủng loại tải dùng đòng điện một chiều rất đa dạng.

Đó là các động cơ điện một chiều, cuộn hút nâm châm điện, role dién từ, bể mạ điện, thiết bị điện phân. Tuyệt đại đa số các thiết bị điện tử cũng hoạt động ở điện áp một chiều nên để lấy năng lượng từ lưới điện xoay chiều cũng phải thông qua mạch chỉnh lưu. Vì vậy có thé nói BCL là loại mạch điện tử công suất thông dụng trong thực tế. Sơ đồ cấu trúc của BCL (hình 1.1) thường bao gồm các khâu sau đây.

Ud - BAL MY LSB Tai Ig MBK KHT Hình 1. Sơ đồ cầu trúc bộ chính lưu BAL- biếnááp lực có chức năng chuyển cấp điện áp và số pha chuẩn của lưới điện sang giả trị điện áp và số pha thích hợp với mạch chỉnh lưu - tải. Nếu cả điện áp và số pha nguồn đã phù hợp với tải có thể không cần dùng BA lực khi sử dụng sơ đỗ đấu van kiểu cầu; trường hợp dùng sơ đồ đầu van hình tỉa luôn bắt buộc phải có BA. MV - mạch van, các van bán dẫn được đấu theo một kiểu sơ đỗ nào đó, ở đây trực tiếp thực hiện quá trình biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.

Vì vậy đây là khâu không thể thiếu được trong MCL. MĐK - mạch điều khiển. Khi MV sử dụng van bán dẫn điều khiển được (như thyristor) sẽ có mạch này để thực hiện việc cho van dẫn dòng vào các thời điểm cần thiết nhằm khống chế năng lượng đưa ra tải. Khi dùng van didt sẽ không có mạch này.

Tùy thuộc van sử dụng mà các chỉnh lưu được phân thành ba loại sau: e Nếu các van đều là thyristor thì gọi là chỉnh lưu điều khiển. « Nếu van được dùng là đit, gọi là chỉnh lưu không điều khiển. « Nếu mạch van dùng cả điột va thyristor, gọi là chỉnh lưu bán điều khiển. LSB - mạch lọc san bằng.

Khâu này nhằm đảm bảo điện áp bay dòng điện ra bằng phẳng theo mong muốn của tải. Nếu điện áp sau MV đã đạt yêu cầu, có thể bỏ khâu LSB. HT - khối hỗ trợ, gồm các mạch giúp theo dõi và đảm bảo BCL hoạt động bình thường, thí dụ như mạch tín hiệu, mạch đo lường điện áp và dòng điện, mạch bảo vệ, nguồn một chiều ôn định cho mạch điều khiển và khống chế. Nhiệm vụ của người thiết kế là xuất phát từyêu cầu kỹ thuật cụ thể của BCL để xây dựng sơ đồ cấu trúc các khâu chức năng cần có.

Từ đó tiển hành triển khai tính toán tỉ mỉ từng khâu để có một BCL hoàn chính. Trong chương này sẽ trình bảy chỉ tiết trình tự thiết kế BCL, trước tiên người thiết kế phải có hiểu biết những van dé co ban trong thiét ké BCL duoc dé cập trong các mục đầu tiên đưới đây. Các tham số của mạch chỉnh lưu Để phân tích và đánh giá BCL, thường dựa vào những tham số chính sau:. Điện áp nguễn xoay chiều định mức: Utám (¥).

Tần số điện áp nguồn định mức: f (Hz) va pham vi biển thiên của nó. Phạm vi biến thiên điện áp nguồn Uimin,Utmax hoặc độ biến thiên điện áp tương đối so với điện áp định mức: Độ tăng điện áp: a; = Độ giảm điện áp: b, = Ui - Điện áp đầu ra một chiều định mức: Uaám (V). Phạm vi điều chỉnh điện áp ra: Uamin; Udmax. Đồng điện tải định mức của bộ chỉnh lưu: Taam.

Phạm ví biến thiên đòng điện tải: lamin; lam. Biên độ đập mạch điện áp ra: Uimax (đây là biên độ sóng hài cơ bản của điện áp một £ chiềuở đầu ra theo khai triển Furier). Hệ số đập mạch điện áp ra: Kan =Stem là tỉ số giữa biên độ sóng hài cơ bản và thành phần trung bình (hoặc không 0 đỗi) của điện áp ra. Hệ số này cảng nhỏ thì điện áp ra càng phẳng hơn.

Nội trở của bộ chỉnh lưu: r= AU,1 a dU, 11. Điện trở động của chỉnh lưu: Tạ = a, , (tỉ số giữa độ biến thiên điện áp ra do sự đột biến về đồng điện tải gây ra). Hiệu suất bộ chỉnh lưu: TỊ= ze › trong đó Pa là công suất nhận được phía một chiều, v còn Py là công suất tiêu thụ lấy từ nguồn điện xoay chiều. Yêu cầu kỹ thuật cần cho thiết kế Để có thể thiết kế một BCL hoàn chỉnh, cần biết trước các số liệu và yêu cầu kỹ thuật sau.

Các số liệu và yêu cầu của nguồn xoay chiều cẤp cho BCL 1. Giá trị định mức của điện áp xoay chiều: Uam (V). Số pha nguồn. Tần số lưới (Hz).

Độ dao động điện áp nguồn: AU. Độ dao động tần số Af. Độ mất đối xứng giữa các pha. Độ méo điện áp nguồn.

Sụt áp đột biến lớn nhất: AUmax và thời gian tồn tại sụt ấp này: tAUmax. Các số liệu và yêu cầu từ phía tải của chỉnh lưu 1. Điện áp ra tải định mức (giá trị trung bình): Uaám. 2, Phạm vì điều chỉnh điện áp ra và độ trơn điều chỉnh.

Phạm vi biến thiên của dòng điện tôi: lmin + lưmax. 4, Qui luật thay đổi dòng điện tải (nhanh, chậm, đột bién. D6 dao’ déng dién ap ra cho phép AUracp khi điện áp nguồn thay đổi trong pham vi tối đa. Nội trở nguồn chinh lưu hay AUa khi dong tải biển thiên từ lmin + max.

Tổng sai số điện áp ra cho phép dưới tác động của tẤt cả các yếu tố ảnh hưởng đến nó. Điện trở động của nguồn (hay đặc tính tần số). Điều kiện môi trường làm việc của bộ chỉnh lưu: nhiệt độ, độ âm, độ rung, độ va 10. Độ tin cậy của bộ chỉnh lưu, hệ số dự phòng.

Độ chính xác điều chỉnh. Phương pháp làm mát. An toàn lao động (đầu ra chỉnh lưu được nổi vỏ hay phải cách li 14. Vấn đề bảo vệ quá áp cho tải.

Các mạch tín hiệu hoá cần có. Thời gian khởi động nhỏ nhất, lớn nhất. Các yêu cầu về kích thước và trọng lượng thiết bị. Phương thức theo dõi và kiểm tra điện áp và dòng điện ra tái.

Hiệu suất của thiết bị. Hệ số đập mạch điện ắp (hay dòng điện) ra tải cho phép. Ngoài ra còn có những đòi hỏi không được để cập trong yêu cầu kỹ thuật Song người thiết kế bắt buộc phải thực hiện (như bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ các sự cố, phần chỉ thị trạng thái thiết bị. Mặt khác nhiều khi người thiết kế phải tự xác định hoặc tự đưa ra một số tham số theo kinh nghiệm mà người đặt hàng không nắm được do không hiểu hết các vấn để kỹ thuật đặt ra.2, NHỮNG YẾU TÓ ẢNH HƯỚNG TỚI THAM SỐ CHÍNH LƯU Bộ chỉnh lưu công suất thường làm việc trong lưới điện công nghiệp nên phải chịu ảnh hướng của các phụ tải khác cùng chung nguồn với nó, hay những biến động đo hệ thống cùng cấp điện đem tới.

Mặt khác tải cũng có ảnh hưởng đáng kế tới BCL. Vì vậy cần biết điều này để có thể tiên liệu các giải pháp phủ hợp khi thiết kế. Ảnh hưởng của điện áp nguồn Điện áp nguồn thường có độ dao động qui chuẩn là +5%, tuy nhiên trên thực tế ở nhiều khu vực có độ dao động điện áp lớn hơn nhiều và có thể lên tới +10% và -20%. Độ dao động điện áp này ảnh hưởng trực tiếp và rõ rệt đến điện ấp ra của mạch chỉnh lưu.

Ngoài ra còn có tác động thêm của các yếu tố sau: 1. Sụt áp trên đây dẫn nguén. Biến áp nguồn cung cấp thường cho phép sai số về các mức điện áp ra. Các mạch chỉnh lưu có nội trở nhất định, khi nguồn biến động dẫn đến điện áp ra thay đổi làm xiòng tải biến thiên, vì vậy sụt áp trên nội trở sẽ thay đổi và tác động trở lại điện áp ra.

Dòng tải thay đổi làm điện trở dây dẫn thay đỗi. VÌ vậy ngay cả khi điện áp nguồn ổn định, không thay đỗi thì các yếu tổ trên đã làm điện ắp ra sai lệch từ 3% đến 135%. Nếu cộng thêm ảnh hưởng của nguồn thì sai số này lên tới 10% đến 20%. Khi sử dụng các mạch chỉnh lưu ba pha, độ mắt đối xứng của điện áp nguồn sẽ làm xuất hiện thêm sự sai lệch điện áp ra, mặt khác còn làm tăng độ đập mạch.

Với các bộ chỉnh lưu công suất lớn (2 100 kW) lai & xa trạm biến thể, cần cố gắng sử dụng cấp điện ấp nguồn cao hơn dé giảm chỉ phí về dây dẫn, Khi các bộ chỉnh lưu làm việc trong một mạng cấp điện có các động cơ điện công suất lớn cần chú ý ảnh hưởng của chúng. Lúc các động cơ này khởi động sẽ làm xuất hiện Sụt áp trên mạng có thể lên tới 20%. Độ sụt áp này có thể làm cho bộ chỉnh lưu ngừng hoạt động do tác động của mạch bảo vệ hay các phân tử khổng chế (như rơie, công-tấc-tơ bị nhả ra). Như vậy ta cần thiết kế mạch tác động trễ để chống hiện tượng này: Còn khi các động cơ đang chạy mà dừng sẽ gây ra các xung điện áp trong thời gian ngắn (thường không quá vài giây), tuy 8 nhiên nó có thể phá hỏng các phần tử nhậy áp như các van bán dẫn, tụ điện, hoặc đánh thủng cách điện giữa các cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp.

Vì vậy khí thiết kế cần tính đến nó để chọn các phần tử có đủ độ dự trữ về điện áp. Ảnh hưởng của tần số và dạng điện áp nguồn Tần số nguồn cung cấp ảnh hướng lớn đến chỉ tiêu về trọng lượng và kích thước bộ chỉnh lưu. Đa số các bộ chỉnh lưu làm việc với tần số 50 Hz; tuy nhiên cũng có một số làm việc với tần số 400 Hz, có khi tới 1- 2 kHz. Nếu so sánh hai bộ chỉnh lưu có cùng các chỉ tiêu kỹ thuật thì chỉnh lưu làm việc với tần số 400 Hz có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn 3 - 4 lần so với loại làm việc ở tần số 50 Hz.

Về bộ lọc còn giảm đi tới vài chục lần. Tuy nhiên bộ chỉnh lưu ở tần số cao hơn có tôn hao công suất và sụt áp trên dây dẫn lớn hơn, còn tụ lọc ở tần số cao cũng có tốn thất cao hơn (và phải giảm độ đập mạch cho phép trên chúng). Nếu nguồn xoay chiều có độ méo dưới 5 + 6% thì có thé coi nguồn là hình sin.