Bài giảng điện tử công suất phần 1 trường đại học thái bình

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÁI BÌNH BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT HỆ ĐẠI HỌC Giáo viên soạn: Nguyễn Thị Thu Hà Thái Bình 2021 Bìa Error! Bookmark not defined Mục lục .3 BÀI MỞ ĐẦU : CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Giới thiệu .4 Các đại lƯợng đặc trƯng 2.1 Trị trung bình đại lƯợng .5 2.2 Trị hiệu dụng đại lƯợng: 2.3 Công suất 2.4 Hệ số công suất: Đặc tính giao hốn công tắc bán dẫn 10 CHƯƠNG 1: CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 14 1.1 GIỚI THIỆU: .14 1.2 DIODE 15 1.2.1 Ki hiệu hình dáng 15 1.2.2 Cấu tạo nguyên lí hoạt động 15 1.2.3 Thông số kỹ thuật 17 1.2.4 Ứng dụng .17 1.3 TRANSISTOR 18 1.3.1 Kí hiệu hình dáng 18 1.3.2 Cấu tạo nguyên li hoạt động 19 1.3.3 Đặc tuyến Volt-ampere .20 1.3.4 Các thông số kỹ thuật 21 1.4 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 22 1.4.1 Cấu tạo- ký hiệu .22 1.6 THYRISTOR: SCR (SILICON CONTROLLED RECTIFIER) 24 6.1 Kí hiệu hình dáng 24 1.6.2 Cấu tạo nguyên li hoạt động 24 1.6.3 Đặc tuyến V – A SCR 26 1.6.4 Ảnh hƯởng dòng điều khiển IG tới làm việc SCR 27 1.6.5 Các thông số kỹ thuật SCR .27 1.6.5 Mạch ứng dụng .28 1.7 Triac 29 1.7.1 ký hiệu hình dáng .29 1.7 Cấu tạo nguyên lí hoạt động 29 1.7.3 Đặc tính Volt-Ampe Triac .30 1.7.4 Các thông số kỹ thuật 30 1.7.5 Một số mạch ứng dụng 30 1.8 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 31 1.8.1 Cấu tạo, ký hiệu mạch tƯơng đƯơng 31 Chương 2: CHỈNH LƯU 2.1 Khái niệm .33 2.2 Chính lưu pha 33 2.2.1 Chỉnh lưu bán kì 33 2.2.2 Chỉnh lưu toàn kỳ .40 2.2.3 Chỉnh lưu cầu pha 44 2.3 Chỉnh lưu ba pha 50 2.3.1 Sơ đồ hình tia 50 2.3.2 Chỉnh lưu cầu ba pha 55 2.4 Mạch chỉnh lưu ghép .63 2.4.1 Mạch chỉnh lưu ghép tăng 63 2.5 Họa tần 63 CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 64 3.1 Khái niệm .65 3.2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều pha điêu khiển toàn kỳ 67 Bộ điều khiển toàn chu kỳ Mạch điều khiển tồn chu kỳ hình 4.1 có góc kích α = cho điện AC tác động vào tải góc kích diện cắt nguồn AC khỏi tải mà dạng sóng hình 4.4 67 3.3 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều pha điều khiển pha 67 3.3.1 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều điều khiển không đối xứng 67 3.3.2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều điều khiển đối xứng 69 b.Trường hợp tải L 71 d.Trường hợp tải RL .72 3.4 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều pha 74 3.5 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha tải mắc hình .75 3.6 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều pha tải mắc tam giác.(Tham khảo ngoài) 83 3.7 ứng dụng 83 3.8 Các phương pháp điều khiển biến đổi điện áp xoay chiều 85 3.8.1 Điều khiển pha 85 3.8.2 Điều khiển tỉ lệ thời gian: 86 CHƯƠNG 4: BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 87 4.1 Khái niệm: 87 4.2 Nguyên lý biến đổi điện chiều 87 4.3 Phân loại cách điều khiển biến đổi DC 88 4.4 Các chuyển đổi điện áp hoạt động dòng không liên tục 89 4.5 HACHEUR NỐI TIẾP 90 II HACHEUR SONG SONG (HÌNH 4.6) Error! Bookmark not defined III Sơ đồ Hacheur đảo dòng 100 CHƯƠNG 5: NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN 102 5.1 Giới thiệu 102 5.1.1 Các dạng nghịch lưu độc lập 102 5.1.2 Nguồn áp, nguồn dòng 102 5.1.3 Các đặc điểm nghịch lưu độc lập: .103 5.2 Nghịch lưu độc lập nguồn dòng .103 5.2.1 Nghịch lưu độc lập nguồn dòng song song pha: 103 5.2.2 Nghịch lưu độc lập song song, sơ đồ cấu tạo .104 5.2.3 Nghịch lưu độc lập nguồn dòng ba pha 106 5.3 Nghịch lưu độc lập nguồn áp: .107 5.3.1 Nghịch lưu độc lập nguồn áp pha .108 5.3.2 Điều chỉnh điện áp nghịch lưu độc lập nguồn áp: 109 5.3.3 Nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha .111 5.4 Bộ nghịch lưu nối tiếp 112 5.5 Nghịch lưu hỗn hợp (Song song – nối tiếp) 114 5.6 Nghịch lưu cộng hưởng 115 5.6.1 Nghịch lưu cộng hưởng song song 116 5.6.1 Nghịch lưu cộng hưởng nguồn áp: 119 5.7 Các biến tần 119 5.7.1 Biến tần gián tiếp .120 5.7.2 Biến tần trực tiếp 121 BÀI MỞ ĐẦU : CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Giới thiệu Điện tử công suất lĩnh vực áp dụng rộng sản xuất, cơng nghiệp, mà dựa tảng môn học mạch điện tử, kỹ thuật xung số… Trong đối tƯợng điều khiển để truyền lượng điện có kiểm sốt từ nguồn đến tải Cơng suất có trị số từ vài chục watt đến vài gigawatt Yêu cầu quan trọng điện tử công suất hiệu suất giá trị kinh tế phải sử dụng kỹ thuật giao hốn nhằm giảm thiểu tổn thất q trình chuyển đổi điều khiển Lĩnh vực áp dụng điện tử cơng suất mơ tả nhƯ hình 1.1 - AC biến đổi thành DC: chỉnh lưu - DC biến đổi thành DC: biến đổi điện chiều - DC biến đổi thành AC: nghịch lưu - AC biến đổi thành AC: biến đổi điện AC Trong cơng nghiệp, ngồi tải riêng ra, phần lớn mạch điện tử công suất điều khiển động để thực yêu cầu tải Trong chương khảo sát nội dung sau - Các đại lượng đặc trưng điện: trị trung bình, trị hiệu dụng, cơng suất… - Các linh kiện cơng suất giao hốn có đặc tính sau - Tốc độ giao hốn nhanh - Giảm thiểu công suất tiêu tán - Cho phép điều khiển tải nặng (dòng tải lớn hay điện trở tải nhỏ) - Có gắn vi xử lý, vi điều khiển PLC Các linh kiện công suất giao hốn thơng dụng là: Diode,Transistor Mosfet, SCR, TRIAC, GTO, SCS, IGBT, MCT… Các đại lượng đặc trưng 2.1 Trị trung bình đại lượng Gọi i(t) l hàm biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ Tp Giá trị trung bình đại lƯợng i(t), viết tắt IAV xác định hệ thức: I AV  Tp t  Tp  i(t) dt (F1.1) t0 Với t0 thời điểm đầu chu kì lấy tích phân Ta thường gặp đại lượng có giá trị trung bình biểu diễn với số AV (average…giá trị trung bình ) UAV IAV Ví dụ 1: Tính giá trị trung bình (IAV) dạng sóng sau: i(t) 8A 10 t(s) Hình 1.1 Giải Giá trị trung bình dạng sóng tính hệ thức sau: t T 1 8dt  dt  8t |2  (2  0)  4( A) I AV  i (t) dt    4 T  P p t0 i(t) 0A 0,3 0,5 0,8 1,3 t(s) Các ứng dụng cơng thức tính trị trung bình: Tính trị trung bình dịng điện Id Tính trị trung bình điện áp Ud Tính trị trung bình cơng suất Pd Nếu dịng qua tải có giá trị khơng đổi chu kỳ Cơng suất trung bình tính hệ thức: P d = U d Id (F1.2) *Các trường hợp đặc biệt: Tải R: Quan hệ điện áp dòng điện tức thời qua điện trở R : uR = RiR Lấy trị trung bình hai vế ta : 0188 URAV = RIRAV Tải L: ta có : (F1.3) Ở chế độ xác lập iL(t0) = iL(t0 + Tp) Trị trung bình điện áp L tính cách lấy tích phân hai vế phƯơng trình thời gian (t0, t0 + Tp) kết thu ULAV = Tải RL UZ  R.iZ TƯơng tự: Trị áp trung bình: L diZ dt UZAV = RIZAV + Từ đó: (F1.4) ULAV = RIZAV IZAV = UZAV/R Trị trung bình dịng khơng phụ thuộc vào giá trị L mà phụ thuộc vào R điện áp UZ Tải R,L,E : UZ  R.iZ  L diZ E dt (F1.5) ( Với E suất điện động không đổi E=const.) => UZAV = RIZAV + E 2.2 Trị hiệu dụng đại lƯợng: Giả thiết đại lƯợng i(t) biến thiên theo thời gian, theo hàm tuần hoàn với chu kỳ Tp với chu kỳ theo góc Xp =  Tp Giá trị hiệu dụng đại lƯợng i(t) tính theo cơng thức: IRMS  Tp t 0 T p  i Xp dt  t0 x0 X i p dX x0 (F1.6) Chỉ số RMS Root Mean Square – giá trị hiệu dụng Ví dụ 3: Cho điện áp u(t) = Um sin(314.t) = 220 sin(314.t) (V) Tính giá trị hiệu dụng điện áp Giải Chu kỳ điện áp u(t) 2 (rad) Giá trị hiệu dụng điện áp cho hệ thức: URMS  Tp 2 t0  T0  (U msin X ) 2dX u dt  t 2  (F1.7) ta có: sin2 X  URMS   URMS   cos2X 2 1 U m2 (  dx  2 2 cos X dx)  U m2 U 2 U m ( X |0  )   m  220[V ] 2 2 2.3 Công suất Công suất tức thời tải tiêu thụ xác định tích điện áp dịng điện tức thời dẫn qua P(t) = u(t).i(t) (F1.8) Cơng suất trung bình: PAV  Tp t0 T p  t0 p(t)dt  Tp t0 T p u(t)i(t)dt (F1.9) t0 Nếu dòng qua tải khơng đổi thì: PAV = UAV.I = UAV.IAV Nếu áp đặt tải khơng đổi thì: PAV = U.IAV = UAV.IAV * Trường hợp đặc biệt : Tải R : Tp PAV Tp 1  u(t)i(t)dt  Ri (t) dt T p 0 T p 0 Tải L C : (F1.10) PAV = 2.4 Hệ số công suất: Hệ số công suất  định nghĩa cho tải tiêu thụ, nhƯ tỉ số công suất tiêu thụ thực tế tải P công suất biểu kiến S nguồn cung cấp cho tải = P/S (F1.11) Trong trƯờng hợp đặc biệt nguồn áp dạng sin tải tuyến tính chứa phần tử nhƯ R,L,C khơng đổi suất điện động dạng sin tần số nguồn áp với góc lệch pha có độ lớn  Ta có cơng thức tính hệ số cơng suất nhƯ sau: P = mUI cos S = mUI  = P/S = cos (F1.12) Trong U, I giá trị hiệu dụng điện áp dòng điện qua tải m tổng số pha Các biến đổi cơng suất thiết bị có tính phi tuyến Giả sử nguồn cung cấp dạng sin dòng điện qua có dạng tuần hồn khơng sin Dựa vào phân tích Fourier áp dụng cho dịng điện i, ta tách dịng điện thành sóng hài i1 tần số với nguồn áp sóng hài bật cao i2, i3, dễ dàng thấy sóng điện áp nguồn sóng hài dịng điện tạo nên cơng suất tiêu thụ tải: P = P1 = mUI1cos1 1 góc lệch pha điện áp dòng điện hài Các sóng hài bậc cao tạo nên cơng suất ảo Tacó : S2 = (mUI)2 = m2U2(I 21 + I 22 + I 23 + ) S  m2U 2I  m2U  I  m2U I cos2   m2U I sin2    m2U 2 I  j Í j2 Í Í j j2 S2 = P2 + Q2 + D2 (F1.13) Với: P = m.U.I1 cos1 công suất tiêu thụ tải Q = m.U.I1sin1 công suất phản kháng (công suất ảo sóng hài dịng điện tạo nên) Khái niệm biến dạng (Deformative) xuất từ ý nghĩa sóng dịng điện vào lƯới điện tạo nên sụt áp nội trở nguồn, từ sóng áp thực tế cấp cho tải bị méo dạng Từ ta rút biểu thức tính hệ số cơng suất theo thành phần cơng suất nhƯ sau:  P S P  P Q 2  D D  m U   I 2j (F1.14) j 2 Muốn tăng hệ số cơng suất ta thực bước sau: Giảm Q: Cơng suất ảo sóng hài bản, có nghĩa thực bù cơng suất phản kháng Các biện pháp thực nhƯ bù tụ điện, bù máy điện đồng kích từ dƯ dùng thiết bị đại bù bán dẫn Giảm D: Cơng suất ảo sóng hài bậc cao Tuỳ theo phạm vi hoạt động dãy tần số sóng hài bậc cao bù ta phân biệt biện pháp sau đây: Lọc sóng hài: Áp dụng cho sóng hài bậc cao, lớn sóng hài đến giá trị khoảng hàng KHz Có thể sử dụng mạch lọc cộng hƯởng LC Ví dụ dùng mạch lọc cộng hƯởng LC với bậc 5,7,11 mắc song song với nguồn cần lọc Khử nhiễu: Áp dụng cho sóng hài bậc cao có tần số khoảng KHz đến hàng MHz Các sóng tần số cao phát sinh từ mạch điều khiển phát sóng với tần số cao q trình đóng ngắt linh kiện cơng suất Các sóng hoạt động mạch điện có khả phát sóng điện trƯờng lan truyền vào môi trƯờng tạo nên tác dụng gây nhiễu cho thiết bị xung quanh, chí gây nhiễu cho thân mạch điều khiển thiết bị công suất Các thiết bị biến đổi công suất thƯờng phải trang bị khử nhiễu nghiêm ngặt Một biện pháp sử dụng dùng tụ, dùng biện pháp bọc kim dây dẫn dùng lƯới chống nhiễu cho thiết bị Ngồi ra, dẫn giải hệ thức hệ số công suất theo hệ thức sau:  IÍ I cos 1 (F115) Độ méo dạng: (Total Harmonic Distortion- THD) Là đại lƯợng để đánh giá tác dụng sóng hài bậc cao (bậc 2,3…) xuất nguồn  điện cho hệ thức sau: m THD  I j 2 I1 j 100[%] (F1.16) Trong Ij trị hiệu dụng sóng hài bậc j, j>=2 I1 trị hiệu dụng dịng điện nguồn Đặc tính giao hốn cơng tắc bán dẫn Do tính chất chất bán dẫn nên chịu tác động xung kích, dạng sóng ngõ có dạng nhƯ hình 1.2 Đặc tuyến giao hoán biểu diễn từtrạng thái tắt (off) sang trạng thái dẫn (on) từ trạng thái dẫn (on) sang trạng thái ngƯng (off) Hình 1.2 a TrƯờng hợp cơng tắc lý tƯởng (Vf=0) 10 Dịng điện hiệu dụng qua tải : I RMS  V 2  VM 2(   )(2  cos 2 )  3sin 2 M ( (cos   cos  t)) d  t   2   L L  Hệ quả: Với tải L,   , biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động nhƯ cơng tắc trạng thái đóng điện áp tải áp nguồn xoay chiều d TrƯờng hợp tải RL: 72 TƯơng tự nhƯ trƯờng hợp tải L, việc phân tích mạch điện phụ thuộc vào góc điều khiển   Giá trị phân biệt trƯờng hợp tải L thay độ lớn góc  trƯờng hợp tải RL,   arctg ( L ) R Trường hợp   : Dòng điện tải bị gián đoạn Chu kỳ hoạt động chia làm bốn khoảng tƯơng ứng với bốn trạng thái sau: Trường hợp    : Dòng tải liên tục Điện áp tải không điều khiển Bộ biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động nhƯ cơng tắc trạng thái ln đóng Điện áp tải áp nguồn xoay chiều có trị hiệu dụng U Xung kích cho linh kiện cho dạng chuỗi xung, vị trí điều khiển đến kết thúc chu kỳ tƯơng ứng áp nguồn xoay chiều Đặc tính Ut ( ) :Phụ thuộc vào tham số RL mạch tải, thay đổi đặc tính tải điện trở tải cảm L Tính chất tƯơng tự hoạt động với tải R, L, RL trình bày ngắn gọn bảng so sánh sau: Quan hệ tổng quát R L RL Tính chất 73   arctg ( L ) 0    R      arctg ( 0       ) R   arctg (    L L trƯng tải ) R   arctg ( L R  : Góc đặc Dịng tải gián đoạn ) Dòng tải liên tục 3.4 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều pha Bộ điều chỉnh AC pha gồm điều chỉnh AC pha nối với sử dụng nguyên tắc điều khiển pha Có nhiều cách nối tùy theo cấp điện pha nối hình Y hay tam giác Δ vào tải Hình 3.20 thể cho ta thấy dạng mạch biến đổi AC thông dụng Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha dạng đầy đủ có cấu tạo gồm ba cơng tắc bán dẫn đấu vào nguồn xoay chiều ba pha, để thực cung cấp điện cho tải ba pha Khi công suất tải nhỏ, cặp công tắc dùng SCR thay TRIAC Phân tích hoạt động biến đổi điện áp xoay chiều ba pha, cho trƯờng hợp tải trở, phức tạp việc theo dõi trình điện áp dịng điện mạch khó khăn Dạng sóng điện áp dòng điện tải thay đổi khác phụ thuộc vào độ lớn góc điều khiển tham số mạch tải (đối với tải không trở) Ngày nay, việc phân tích thực nhờ lập trình mơ máy tính Xung kích: Để đảm bảo q trình kích dẫn SCR, xung kích thực dƯới dạng xung chuỗi vị trí tƯơng ứng với góc kích vƯợt khỏi chu  kỳ tƯơng ứng góc  74 3.5 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha tải mắc hình a Tải trở R • Sơ đồ mạch Khảo sát hoạt động mạch Để khảo sát cách hoạt động ta phải lưu ý nhận xét sau − Các SCR kích lần lƯợt theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, cách 60 Khi có SCR kích dẫn, điện pha tải tƯơng ứng với điện đƯờng dây – trung hòa van =Vbn =(Vab/3)….; xem VSCR = dẫn Khi có SCR dẫn, thí dụ A B dẫn có điện tải bằng: Vao  VAB Vab  2 sớm pha 300 so với Van; V  VBA  Vba chậm pha 300 so với Van; bo 2 VBO =vbo = Góc lệch pha giửa đƯờng dây pha 75 Nguyên tắc dòng điện dẫn sơ đồ điều áp ba pha o Dòng dẫn bán kỳ dƯơng Ở bán kỳ âm: 76 Xem bảng tóm tắt sau: ĐƯờng dây ĐƯờng dây khơng dẫn điện dẫn điện Tất Khơng có A,B C B,C A C,A B Không Tất Điện ngõ Pha (van) Dây (Vab) VAB VAB/3 VAB 1/2vAB 1/2vCB 1/2VAC 1/2vAC 0 Ta có trƯờng hợp sau: TrƯờng hợp : < α < π/3 Xét trƯờng hợp góc kích 300 77 Tại ωt =0: S5 S6 dẫn, nên khơng có dòng qua Za Vao =0 Tại ωt =π/6: S1 bắt đầu dẫn, S5 S6 tiếp tục dẫn, ta có Vao = Van Tại ωt =π/3: S ngƯng, cịn S1 S6 tiếp tục dẫn, ta có Vab/2 = Vao Tại ωt =π/2: S2 bắt đầu dẫn, S1, S6, S2 dẫn ta có Vao/2 = Van Tại ωt =2π/3: S6 ngƯng, S1, S2, S2 dẫn ta có Vab/2 = Vao Tại ωt =5π/6: S1, S2, S2 dẫn ta có Vao = Van Tại ωt =π: S1 ngƯng ta có Vao = Từ ωt > π trở đi, lý luận tƯơng tự nhƯng với chiều ngƯợc lại Hiệu điện hiệu dụng tải Dịng hiệu dụng qua tải Cơng suất tải 78 TrƯờng hợp 2: Xét trƯờng hợp α Lúc có SCR dẫn Tại : S5 S6 dẫn: v075≤tωao = Tại : S1 bắt đầu dẫn, S6 tiếp tục dẫn, S5 ngƯng v075=tωcn < 0: 2abaovv= Tại : S6 ngƯng, S2 bắt đầu dẫn, S1 S2 dẫn: 0135=tω2abaovv= Tại : S1 tắt, S2 S3 dẫn: khơng có dòng qua Z0195=tωa, vao = 0 Từ 195 trở ta lý luận tƯơng tự nhƯng với chiều ngƯợc lại Theo hình vẽ, ta tính − Hiệu điện hiệu dụng tải 79 Dòng hiệu dụng qua tải: IORMS  VORMS R Công suất tải: TrƯờng hợp 3: π/20) nên vao = Vab/2 Tại ωt ≥ 1050 vab0: S1 S2 dẫn vao =vac/2 Từ ω =7π/6 ta lý luận tƯơng tự với giá trị âm Tính được: - Hiệu điện hiệu dụng tải: - Dòng hiệu dụng qua tải: IORMS  VORMS R Công suất tải: 81 b Tải trở kháng R,L Ta có sơ đồ mạch nhƯ hình vẽ Các biểu thức nguồn điện ba pha nhƯ sau: Van = V Msinωt 2 ) vbn  VM sin(t  v  V sin(t  cn 4  sin(t  ) 3VM M vAB  vAC  3VM sin(t   3V sin(t  v BC )  V sin(t  M  M 2 ) )  ) Các SCR dẫn có điện vak>0 hay điện đƯờng dây – đƯờng dây dƯơng lớn đồng thƯời phải có xung kích diện đồng thời hay sớm Để đơn giản ta xét trƯờng hợp cụ thể sau: TrƯờng hợp Φ 0, v > 0, v > có xung kích diện nên cb ac T1, T5 T6 dẫn Trong thời gian θ2, θ3 lý luận tƯơng tự ta có T1, T6 T2 dẫn Trong thời gian θ3,θ4 : T1, T3 T2 dẫn Trong thời gian θ4, θ5 : T3, T2 T4 dẫn Trong thời gian θ5, θ6: T3, T5 T4 dẫn Trong thời gian θ: T5, T2 T6 dẫn Theo hình vẽ ta thấy thời điểm có SCR dẫn cho dịng chảy qua tải Mỗi SCR có góc dẫn 180 − Điện tải Van = V Msinωt vbn  VM sin(t  v  V sin(t  cn M 2 4 ) )  V sin(t  M 2 ) Dòng điện qua tải: 3.6 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều pha tải mắc tam giác.(Tham khảo ngồi) 3.7 Các ứng dụng Cơng tắc xoay chiều dùng để đóng vào ngắt nguồn điện áp xoay chiều khỏi tải xoay chiều So với công tắc tơ sử dụng tiếp điểm, công tắt bán dẫn hoạt động với tần số cao, đáp ứng nhanh hơn, công suất điều khiển nhỏ, tƯợng phóng tia lửa điện ngắt dịng tải khơng xảy Tuy nhiên, công tắc xoay chiều cấu tạo gồm linh kiện bán dẩn, độ sụt áp linh kiện tồn cơng tắc đóng ( khoảng vài volt) tạo nên tổn hao đáng kể dịng tải lớn Do cơng tắc bán dẫn làm mát, chế độ ngắt dòng, trở kháng lúc ngắt linh kiện tồn với giá trị hữu hạn, có dịng điện rị qua linh kiện bán dẫn Các công tắc xoay chiều bán dẫn để khởi động nhƯ đảo chiều động không đồng bộ; Đóng ngắt tụ bù cơng suất phản kháng cho lƯới điện; Đóng ngắt thay đổi mức điện áp xoay chiều cung cấp cho tải; Đóng ngắt nguồn hệ thống nguồn dự trữ UPS 83 Cấu tạo công tắc xoay chiều: Công tắc xoay chiều tồn dạng pha, ba pha Dòng qua pha tải đóng ngắt cơng tắc pha Mỗi cơng tắc pha gồm hai SCR mắc đối song song Triac Phân tích hoạt động mạch thực đóng ngắt cơng tắc bán dẫn giải thích qua cơng tắc pha với tải RL (Hình 4.12) ut it uV1 (Hình 3.12) (Hình 3.13) Đóng cơng tắc vị trí X= , ta thực đóng cơng tắc cách đƯa xung kích liên tục ( ví dụ dƯới dạng chuổi xung iG= 1) vào cổng điều khiển tất SCR 51, 52, hai SCR mắc đối song song trạng thái khố vị trí kích đóng, ví dụ 51 Dịng điện qua 51 có độ lớn thay đổi theo phƯơng trình sau; di t ut = R.it + L dt = UmsinX (F3.55) Điều kiện ban đầu it( ) = PhƯơng trình có nghiệm R it = [ Sin(X-  ) – Sin (    ) Z= R .l) ( L e ( X  ) ] (F3.56) 84 Dòng điện qua tải thay đổi liên tục qua giá trị 0, xung kích đóng đƯa liên tục đến SCR nên xem cơng tắc xoay chiều dạng đặc biệt biến đổi điện áp xoay chiều với góc kích Do dịng điện qua tải liên tục, SCR v1 v2 thay dẫn điện Sau thời gian đủ lớn, thành phần độ qua tải bị triệt tiêu Mạch đạt trạng thái xác lập, dòng điện lệch pha so với p góc    = arctg .L R (F3.57) Ngắt cơng tắc: Thực cách ngắt (khố) đồng thời xung kích SCR 51 52 vị trí ngắt xung kích, dịng tải dẫn qua SCR, ví dụ 51 có giá trị khác khơng, 51 tiếp tục dẫn điện đến dòng điện qua nó, đồng thời qua tải triệt tiêu Chỉ đó, dịng điện bị ngắt cơng tắc Từ q trình phân tích ta thấy việc ngắt dịng điện qua tải công tắc bán dẫn diễn thuận lợi, khơng có q điện áp xuất trƯờng hợp tải mang tính cảm kháng Đáp ứng dịng điện sau thực khố xung kích trễ tối đa nửa chu kì điện áp nguồn Cơng tắc xoay chiều ba pha có cấu tạo mạch cơng suất giống nhƯ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha Việc thực đóng ngắt cơng tắc dẫn đến q trình điện áp dịng điện pha tải vẽ hình Từ đó, ta thấy dòng điện qua pha lần lƯợt triệt tiêu giảm thời điểm khác Điện áp xuất linh kiện bị tắt tăng vọt đến giá trị điện áp dây Để giảm bớt số linh kiện bán dẫn, số cấu hình cơng tắc tiết kiệm sử dụng Diode thay cho SCR số vị trí, để giảm bớt cơng suất tổn hao linh kiện bán dẫn công tắc trạng thái đóng, đồng thời ngắt hẳn dịng điện công tắc chế độ ngắt, ngƯời ta thƯờng sử dụng kết hợp công tắc bán dẫn với tiếp điểm Trình tự đóng ngắt cơng tắc khí K1, K2 khoá bán dẫn S vẽ minh hoạ giản đồ đóng ngắt hình (Hình 3.14) S V K1 K2 K1 S K2 Hình 3.14 3.8 Các phương pháp điều khiển biến đổi điện áp xoay chiều 3.8.1 Điều khiển pha Với phƯơng pháp điều khiển pha thơng thƯờng, xung kích đƯa vào vị trí điều khiển vị trí trễ góc  so với vị trí xuất điện áp khố linh kiện Điện áp nguồn xoay chiều đóng vai trị điện áp chuyển mạch, tác dụng giảm dòng điện qua linh kiện 85 Điện áp ngõ chứa thành phần hài có tần số tần số điện áp nguồn thành phần bậc cao khác Độ lớn sóng hài phụ thuộc vào góc điều khiển cấu hình mạch cơng suất Tải R u t it T T iG thời gian a) ut Tải RL it iG thời gian b) Hình 3.15 TrƯờng hợp điều khiển pha với trình chuyển mạch cƯỡng bức: Điều khiển vịtrí kích đóng dịng điện đồng thời điều khiển vị trí ngắt dịng điện tải Cấu hình mạch phải chứa chuyển mạch linh kiện tự chuyển mạch Với phƯơng pháp này, điện áp ngõ có dạng đối xứng Nếu nửa chu kì p nguồn, ta thực chiều rộng xung, hệ số biến dạng phổ hài bậc cao hạn chế nhiều 3.8.2 Điều khiển tỉ lệ thời gian: Xem Hình 3.15 thực cách cho xung kích đóng linh kiện liên tục thời gian số nguyên lần chu kì(m) điện áp nguồn sau ngắt (khố) xung kích liên tục số nguyên lần chu kỳ (n) PhƯơng pháp không sử dụng tải có số thời gian đáp ứng tƯơng đƯơng với chu kỳ nguồn xoay chiều, ví dụ khơng thể điều khiển độ sáng bóng đèn dây tóc, khơng dùng điều khiển vận tốc động có moment quán tính nhỏ PhƯơng pháp điều khiển tỉ lệ thời gian với điểm kích đóng điểm áp nguồn ứng dụng để điều khiển lò điện trở, lị hồ quang điện, lị nƯớng gia đình Vì ảnh hƯởng lên lƯới điện, đồng thời hạn chế tổn hao phát sinh chế độ đóng ngắt linh kiện tạo nên Bộ biến đổi làm việc nhƯ công tắc xoay chiều đóng mở tuần hồn Hình 3.15a vẽ điện áp dòng điện tải ta áp dụng phƯơng pháp điều khiển với tải chứa điện trở R Từ Hình 3.15a ta suy trị hiệu dụng điện áp tải Ut = U t z T Trên Hình 3.15b vẽ trình đại lƯợng cho trƯờng hợp tải RL PhƯơng pháp điều khiển nêu phù hợp cho nguồn cung cấp lƯợng cho thiết bị tiêu thụ nhiệt điện Ta không nên dùng chúng làm nguồn lƯợng cho đèn chiếu sáng nhƯ động điện 86