MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................................... 2
CHƯƠNG 1.

MÔ HÌNH TỔNG QUAN ĐỀ TÀI............................................................. 1

1.1

Giới thiệu đề tài ........................................................................................................... 1

1.2

Sơ đồ thay thế tương đương ........................................................................................ 1

CHƯƠNG 2.

TÍNH TOÁN MẠCH LỰC ......................................................................... 3

2.1

Tính toán mạch chỉnh lưu cầu 1 pha ........................................................................... 3

2.2

Tính toán mạch chỉnh lưu cầu 3 pha ........................................................................... 3

CHƯƠNG 3.
3.1

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .................................................... 4

Thiết kế hệ thống Driver cho điều khiển Tiristor ........................................................ 4

3.1.1

Cấu trúc chung ...................................................................................................... 4

3.1.2

Khâu đồng bộ........................................................................................................ 4

3.1.3

Khâu tạo điện áp tựa ............................................................................................. 5

3.1.4

Khâu so sánh ......................................................................................................... 6

3.1.5

Khâu tạo xung chùm ............................................................................................. 6

3.2

Tổng hợp bộ điều khiển cho mạch chỉnh lưu cầu 3 pha sử dụng van Tiristor ............ 7

CHƯƠNG 4.

MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB ............ 11


4.1

Sơ đồ tổng quan thiết kế mô phỏng bộ nguồn dòng.................................................. 11

4.2

Thông số mô phỏng ................................................................................................... 13

4.3

Kết quả mô phỏng ..................................................................................................... 13

4.3.1

Giá trị điện áp đầu ra chỉnh lưu .......................................................................... 13

4.3.2

Điện áp điều khiển .............................................................................................. 14

4.3.3

Dòng điện thực và dòng điện đặt ........................................................................ 14

KẾT LUẬN ............................................................................................................................ 16
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 17


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ mạch lực nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng .............................................. 1

Hình 1.2. Sơ đồ thay thế chỉnh lưu cầu 3 pha tạo nguồn dòng ............................................... 2
Hình 3.1. Cấu trúc của hệ thống driver cho các bộ biến đổi điều khiên Tiristor ..................... 4
Hình 3.2. Biến áp đồng pha cho chỉnh lưu 3 pha đấu ∆/Y ...................................................... 5
Hình 3.3. Điện áp tựa dạng răng cưa sườn lên ........................................................................ 5
Hình 3.4. Mạch so sánh ........................................................................................................... 6
Hình 3.5. Biểu đồ phát xung chùm cho chỉnh lưu cầu ba pha ................................................. 7
Hình 3.6. Khâu tạo xung chùm có độ rộng (π – α) .................................................................. 7
Hình 3.7. Mạch vòng điều khiển dòng điện của hệ chỉnh lưu Tiristor .................................... 9
Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng ..................................................................................................... 11
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

4.2. Hệ thống driver thiết kế cho van chỉnh lưu Tiristor ............................................. 11
4.3. Sơ đồ mạch lực ...................................................................................................... 12
4.4. Sơ đồ mô phỏng tải nguồn xung ............................................................................ 12
4.5. Điện áp đầu ra chỉnh lưu ........................................................................................ 13
4.6. Tín hiệu điện áp điều khiển.................................................................................... 14
4.7. Tín hiệu dòng điện thực ra tải ................................................................................ 14

Hình 4.8. Dạng sóng dòng điện thực ra tải ............................................................................ 15


Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor

CHƯƠNG 1.


MÔ HÌNH TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu đề tài
Lò nấu thép trung tần được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam, với dải công suất nhỏ từ 100
đến 750kW, công suất lớn cỡ 1 đế 10MW. Bộ biến đổi thường dùng cấu trúc chỉnh lưu
Tiristor cầu 3 pha, cùng với một cuộn kháng một chiều, tạo nên nguồn dòng, nghịch lưu
cộng hưởng nguồn dòng song song, tần số từ 500Hz đến 2400Hz.
Sơ đồ mạch lực nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng được mô tả trên hình 1.1

Hình 1.1. Sơ đồ mạch lực nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng
Nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng để tạo ra dòng điện gần sin với tần số tương đối
cao. Nghịch lưu cộng hưởng có ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực gia nhiệt cảm ứng, nấu
luyện thép cảm ứng, trong đó dòng điện cảm ứng trong các vật liệu sắt từ cung cấp năng
lượng làm tăng nhiệt độ của vật, không cần đến sự tiếp xúc giữa nguồn nhiệt với vật bị nung
nóng. Nghịch lưu cộng hưởng chính là nguồn cung cấp năng lượng với hiệu suất cao trong
các thiết bị tôi cao tần, lò nấu thép cảm ứng, thiết bị quấy thép đang nóng chảy.
1.2 Sơ đồ thay thế tương đương
Sơ đồ thay thế tương đương bộ chỉnh lưu cầu ba pha tạo nguồn dòng được mô tả trong
hình 1.2.
Trong đó, nguồn e(t) là đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha có nguồn điện áp vào
220V/500Hz, góc mở α = 300.

Trang 1


Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor

Hình 1.2. Sơ đồ thay thế chỉnh lưu cầu 3 pha tạo nguồn dòng a) Sơ đồ khối, b) Mạch điện
tương đương


Trang 2


Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor

CHƯƠNG 2.

TÍNH TOÁN MẠCH LỰC

2.1 Tính toán mạch chỉnh lưu cầu 1 pha
Giá trị trung bình điện áp đầu ra mạch chỉnh lưu cầu pha nguồn điện áp đầu vào
U 2  220V , tần số f  500 Hz được xác định trong công thức 2.1.
 
U d  0.9  U 2  cos( )  0.9  220  cos    171.5(V )
6

(2.1)

Giá trị dòng điện trung bình ra tải xác định trong công thức 2.2.
Id 

Pt 300  103

 1749( A)
Ud
171.5

(2.2)

Như vậy dòng điện qua van được xác định từ giá trị dòng điện trung bình ra tải trong

công thức 2.3.
Iv 

I d 1749

 875( A)
2
2

(2.3)

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên mỗi van Tiristor được tính từ công thức 2.4.
Ung  1, 41.U2  1, 41.220  310(V )

(2.4)

Với f = 500Hz tra bảng 2.2.7 trang 440 tài liệu (1) ta chọn van T930S với dòng trung
bình I tb  930 A,U max  1600V ,

du
di
 550(V /  s ),  250( A /  s ) .
dt
dt

2.2 Tính toán mạch chỉnh lưu cầu 3 pha
Giá trị điện áp đầu vào mạch chỉnh lưu cầu 3 pha là điện áp hình sin, điện áp
U 2  220V , tần số f  50 Hz .

Giá trị điện áp ngược lớn nhất đặt lên van được tính toán theo công thức 2.5.

Ung max  2.45 U2  2.45  220  539(V )

(2.5)

Giá trị dòng điện qua van xác định qua công thức 2.6.
Iv 

Id 1749

 583( A)
3
3

(2.6)

Với f  50 Hz ta tra bảng 2.2.1 trang 436 tài liệu (1) ta chọn van T828N với
U max  600V , I tb  828 A,

di
 300( A /  s ) .
dt

Trang 3


Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor

CHƯƠNG 3.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN


3.1 Thiết kế hệ thống Driver cho điều khiển Tiristor
3.1.1 Cấu trúc chung

Hình 3.1. Cấu trúc của hệ thống driver cho các bộ biến đổi điều khiên Tiristor
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống driver điều khiển cho các bộ biến đổi phụ thuộc
theo nguyên tắc điều khiển được chỉ trên Hình 3.1. Trong các bộ biến đổi phụ thuộc các
Tiristo được điều khiển mở bởi các xung tại các thời điểm, chậm pha so với điểm chuyển
mạch tự nhiên một góc α, gọi là góc điều khiển. Điểm chuyển mạch tự nhiên có thể là các
điểm điện áp nguồn qua không (chỉnh lưu cầu một pha) hoặc các điểm điện áp
nguồn cắt nhau (chinh lưu ba pha). Vì vậy khâu đầu tiên trong hệ thống điều khiển là khâu
đồng pha, khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo ra hệ thống điện áp tựa, đồng bộ với điện áp
lưới, nghĩa là cho phép xác định giá trị đầu của góc điều khiển α.
6

Đối với chỉnh lưu cầu 3 pha, giá trị trung bình điện áp đầu ra U d  U 2m  sin( ) cos( )

6
0
0
do đó giá trị góc điều khiển α thay đổi trong khoảng giá trị từ 0 đến 90 .
3.1.2 Khâu đồng bộ
Khâu đồng bộ có 2 chức năng chính:
- Đảm bảo quan hệ về góc pha cố định với điện áp của van lực nhằm xác định điểm
gốc để tính góc điều khiển α.
- Hình thành điện áp có dạng phù hợp làm xung nhịp cho hoạt động của khâu tạo điện
áp tựa phía sau nó.
Để thực hiện chức năng đồng bộ, nhóm đã sử dụng máy biến áp 3 pha đấu ∆/Y, sơ đồ
được mô tả trong hình 3.2.


Trang 4


Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor

Hình 3.2. Biến áp đồng pha cho chỉnh lưu 3 pha đấu ∆/Y
3.1.3 Khâu tạo điện áp tựa
Điện áp điều khiển được biến đổi thành góc điều khiển α tại khâu so sánh nhờ so sánh
với điện áp tựa. Dạng điện áp tựa mà nhóm sử dụng là điện áp xung răng cưa sườn lên.
Giá trị α được xác định trong công thức 3.1.
ur (t ) 

U c ,m



  

udk
U c ,m

(3.1)

Điện áp tựa dạng răng cưa sườn lên được mô tả trong hình 3.3.

Hình 3.3. Điện áp tựa dạng răng cưa sườn lên
Trang 5


Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor


Trong mạch điều khiển chỉnh lưu dùng dạng răng cưa đi lên sẽcho quan hệ giữa điện
áp răng cưa và góc điều khiển α tỉ lệ thuận (nghĩa là điện áp điều khiển lớn thì góc mở α
lớn). Mặt khác ta cũng biết rằng quan hệ giữa góc điều khiển α và điện áp đầu ra chỉnh lưu
nhận được lại tuân theo qui luật tỉ lệ nghịch U d  U d 0cos   (nghĩa là α tăng thì U d giảm).
Như vậy tương ứng với việc tăng điện áp điều khiển sẽ dẫn đến giảm điện áp chỉnh lưu,
điều này nhiều khi không thuận lợi cho hệ thống điều khiển vòng kín.
3.1.4 Khâu so sánh
Khâu này có chức năng so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa dạng răng cưa sườn
lên để định góc mở α. Khâu so sánh có thể thực hiện bằng khuếch đại thuật toán.
Mạch so sánh có thể sử dụng là mạch so sánh một cổng hoặc mạch so sánh hai cổng.
Sơ đồ cấu trúc mạch so sánh được mô tả trong hình 3.4.

Hình 3.4. Mạch so sánh (a). Một cổng (b). Hai cổng
3.1.5 Khâu tạo xung chùm
Dạng xung chùm là dạng thông dụng nhất vì cho phép mở tốt van lực trong mọi trường
hợp, với mọi dạng tải và nhiều sơ đồ chỉnh lưu khác nhau. Xung chùm thực chất là một
chùm các xung có tần số cao gấp nhiều lần tần số lưới. Độ rộng xung của một chùm xung có
thể được hạn chế trong khoảng (100 – 130) độ điện, về nguyên tắc nó phải kết thúc khi điện
áp trên van lực mà nó điều khiển đối dấu sang âm.
Biểu đồ phát xung chùm cho chỉnh lưu cầu ba pha được mô tả trong hình 3.5.

Trang 6


Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor

Hình 3.5. Biểu đồ phát xung chùm cho chỉnh lưu cầu ba pha
Để tạo được xung chùm có độ rộng (π – α), sơ đồ được thể hiện qua hình 3.6.


Hình 3.6. Khâu tạo xung chùm có độ rộng (π – α)
3.2 Tổng hợp bộ điều khiển cho mạch chỉnh lưu cầu 3 pha sử dụng van Tiristor
Theo tính toán ở trên, ta thay thế mạch nghịch lưu cộng hưởng thành bởi nguồn sức
điện động e(t) có tần số cao.
Điện áp trung bình đầu ra chỉnh lưu cầu 3 pha được xác định qua công thức 3.2.
6

U d  U 2m   sin( ) cos( )
(3.2)

6
Mối quan hệ giữa góc mở α của Tiristor với điện áp điều khiển theo (3.3), khi điện áp
tựa có dạng sườn răng cưa đi lên.
  

udk
U c ,m

(3.3)

Trang 7


Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor

Hệ số Kr,m thể hiện sự phụ thuộc vào điện áp điều khiển udk để hệ thống hoạt động ổn
định trong toàn dải điều chỉnh được xác định như trong công thức 3.4.
K r ,m  U 2 m .

 

p
.sin  
U c,m
 p

(3.4)

Với U 2 m là giá trị đỉnh của điện áp dây đặt vào mạch chỉnh lưu U 2 m  380 2(V )
Chọn giá trị điện áp đỉnh của xung răng cưa Uc,m = 10V, giá trị K r ,m được tính như
trong công thức 3.5.
K r ,m  U 2 m .

 
p
6
 
.sin    380 2. .sin    161, 22
U c ,m
10
6
 p

(3.5)

Mối quan hệ giữa điện áp xung và điện áp điều khiển xác định trong phương trình 3.6.
GDCX ( s) 

ud  s 

udk  s 




K r ,m
 T 
1 s 

 2p 



K r ,m
 1 
1 s 

 2 p. f 



161, 22
161, 22

 1  1  0, 001667 s
1  s. 

 2.6.50 

(3.6)

Với T là chu kì điện áp lưới, p là độ đập mạch của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha, p = 6

Hằng số thời gian

Ld 2 0, 43771.103
Td 

 0, 001282
Rd
0,3413

Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp đầu ra chỉnh lưu xác định trong công thức 3.7.
Gi  s  

id  s 

ud  s   E  s 



1
1
2,93


Rd 1  Td s  0,3413 1  0, 001282s  1  0, 001282s

(3.7)

Ta sử dụng bộ điều khiển GPI có cấu trúc theo (3.8)

1

GPI  s   K p . 1 
 sTi


Ki 1  sTz

  Kp 
s
sTp


(3.8)

Trong đó điểm không của bộ điều chỉnh GPI(s) được lựa chọn bằng điểm cực của đối
tượng Gi(s) nghĩa là Tz  Td 

Ld 2
 0, 001282
Rd

Trang 8


Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor

Hình 3.7. Mạch vòng điều khiển dòng điện của hệ chỉnh lưu Tiristor
Hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện được tổng hợp như trong phương trình 3.9
id   id *  id  .GPI  s  .GDCX  s   E  .Gi  s 

(3.9)


Từ đó, mối liên hệ giữa dòng điện ra với dòng điện đặt và giá trị điện áp được xác định
trong phương trình 3.10.
id  id * .

GPI  s  .GDCX  s  .Gi  s 

1  GPI  s  .GDCX  s  .Gi  s 

 E.

Gi  s 

1  GPI  s  .GDCX  s  .Gi  s 

(3.10)

Coi thành phần sức điện động E là nhiễu và được triệt tiêu nhờ vào thành phần tích
phân của bộ điều chỉnh dòng điện, ta có hàm truyền của hệ kín được viết lại như (3.11).
K rm
 RdTpTd 
GPI  s  .GDCX  s  .Gi  s 
i
Gk  s   d* 

id 1  GPI  s  .GDCX  s  .Gi  s  s 2  2 p s  2 p. K rm
T
 RdTpTd 
2 p.


(3.11)

Đây là dạng hàm truyền bậc 2 có dạng
G2  s  

n 2
s 2  2n s  n 2

(3.12)

Từ (3.11) và (3.12), xác định được các tham số của hàm truyền đạt như (3.13)
K rm
 2


2
p
.
n

Rd TpTd


  p
n


T

Chọn  


(3.13)

1
từ công thức trên, xác định được giá tham số bộ điều khiển T p trong
2

công thức (3.14).
Tp 

K rmT 161, 22.0, 02

 1.5744
pRd
6.0,3413

(3.14)
Trang 9


Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor

Như vậy, hàm truyền đạt (3.15) của bộ điều khiển dòng diện được xác định bằng cách thay
các tham số Tp , Tz vào phương trình (3.8).
GPI  s  

1  sTz 1  0, 001282s

sTp
1,5744s


(3.15)

Đánh giá ảnh hưởng của nhiễu do nguồn sức điện động E tác động lên mạch vòng dòng
điện với các tham số đã xác định.
Hàm truyền đạt giữa sức điện động và dòng điện đầu ra được tính toán xác định trong
biểu thức (3.16).
Gd  s  

id  s 

E  s  i * s 0
d

 

 T

s
s  1
 2p


  T
 
Rd 1  sTd   s 
s  1  1
 
  2p


(3.16)

Hàm truyền đạt (3.17) xác định bằng cách thay các giá trị tham số đã biết vào (3.16).
0, 004883s 2  2,93s
Gd  s   
2,137.106 s3  0, 002949s 2  1.001s  1

(3.17)

lim sGd  s   0 như vậy ta có thay đổi của nguồn sức điện động E không ảnh hướng tới dòng
s 0

điện đầu ra.

Trang 10


Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor

CHƯƠNG 4.

MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB

4.1 Sơ đồ tổng quan thiết kế mô phỏng bộ nguồn dòng
Mô hình tổng quan các khối trong thiết kế được mô tả trong hình 4.1.

Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng
Hệ thống driver cho van chỉnh lưu Tiristor 1 và 4 được mô tả trong hình 4.2.

Hình 4.2. Hệ thống driver thiết kế cho van chỉnh lưu Tiristor

Sơ đồ mạch lực được minh họa trong hình 4.3.

Trang 11


Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor

Hình 4.3. Sơ đồ mạch lực
Hệ thống tải nguồn xung e(t ) được mô tả trong hình 4.4.

Hình 4.4. Sơ đồ mô phỏng tải nguồn xung
Trang 12


Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor

4.2 Thông số mô phỏng
- Chế độ mô phỏng: Hệ thống được mô phỏng ở chế độ liên tục.
- Thời gian mô phỏng: t  1s .
- Giá trị điện áp đặt được xác định ở 2 giá trị đặt I  30 A trong khoảng thời gian
t  0  0.5s và I  50 A trong khoảng thời gian t  0.5 1s , lượng đặt dòng điện thay đổi từ
30  50A ở thời điểm t  0.5s .

- Tham số mô phỏng:
Điện áp nguồn: 380V / 50Hz .
Giá trị điện cảm: Ld  1H .
Giá trị điện trở: Rd  0.01.
Điều khiển theo phương pháp xung chùm với độ rộng xung 20e  5s.
Tham số bộ điều khiển cài đặt: K p  1.65, KI  0.015, Kd  0.
4.3 Kết quả mô phỏng

4.3.1 Giá trị điện áp đầu ra chỉnh lưu
Giá trị điện áp chỉnh lưu khi có tác động của nguồn e(t) được mô tả trên hình 4.5

Hình 4.5. Điện áp đầu ra chỉnh lưu

Trang 13


Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor

4.3.2 Điện áp điều khiển
Dạng tín hiệu của giá trị điện áp điều khiển được thể hiện trên hình 4.6.

Hình 4.6. Tín hiệu điện áp điều khiển
4.3.3 Dòng điện thực và dòng điện đặt
Kết quả đáp ứng dòng điện thực được thể hiện trên hình 4.7.

Hình 4.7. Tín hiệu dòng điện thực ra tải

Trang 14


Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor

Dạng sóng dòng điện theo 2 giá trị đặt được thể hiện qua hình 4.8.

Hình 4.8. Dạng sóng dòng điện thực ra tải

Trang 15



Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor

KẾT LUẬN
Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, nhóm chúng em đã thu được những kết quả
sau:
- Thiết kế được bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu cầu 3 pha ổn định được dòng điện bám
theo giá trị đặt yêu cầu.
- Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm MATLAB.
Những vấn đề còn tồn tại:
- Thiết kế bộ điều khiển chưa đạt như mong muốn.
Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Vũ Hoàng Phương đã tận tình
hướng dẫn, chỉ bảo giúp chúng em hoàn thành đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2014
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Anh

Trang 16


Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương, 2014. Giáo trình thiết kế điều khiển cho các
bộ biến đổi điện tử công suất.
2. Phạm Quốc Hải, 2009. Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất. KH&KT
3. Trần Trọng Minh. Giáo trình Điện tử công suất. Nhà xuất bản Giáo dục
4. PGS. Nguyễn Doãn Phước, 2002. Lý thuyết điều khiển tuyến tính. KH&KT.


Trang 17