KHÁI NIỆM VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN
Điện tử công suất là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật năng lượng thuộc ngành kỹ thuật điện, với nghiên cứu không chỉ giới hạn ở công suất mà còn mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực điều khiển khác.
Kể từ khi Shockley công bố hiệu ứng nắn điện của miền tiếp xúc PN vào năm 1949, ứng dụng của chất bán dẫn đã trở nên phổ biến trong ngành kỹ thuật điện Sự phát triển này đã dẫn đến sự hình thành của ngành điện tử công suất, chuyên nghiên cứu khả năng ứng dụng của chất bán dẫn trong lĩnh vực năng lượng.
Vào năm 1891, dòng điện xoay chiều đã thay thế dòng điện một chiều trong sản xuất điện năng Để cung cấp cho các tải một chiều, cần phải chuyển đổi từ dòng điện xoay chiều sang một chiều, điều này được thực hiện thông qua hệ thống máy phát - động cơ Hiện nay, phương pháp này chủ yếu được áp dụng trong kỹ thuật hàn điện.
Thay thế cho hệ thống máy điện quay, đèn hơi thủy ngân đã được ứng dụng để nắn điện trong 50 năm, cho đến khi thyristor ra đời Điện tử công suất nghiên cứu các phương pháp biến đổi dòng điện, yêu cầu đóng/ngắt và điều khiển, chủ yếu tập trung vào kỹ thuật điều khiển dòng điện một chiều và xoay chiều, cũng như các hệ thống chỉnh lưu và nghịch lưu để biến đổi điện áp và tần số Ưu điểm của các mạch biến đổi điện tử so với các phương pháp khác bao gồm tính hiệu quả và khả năng điều chỉnh linh hoạt theo yêu cầu sử dụng.
- Hiệu suất làm việc cao
- Có tính kinh tế cao
- Vận hành và bảo trì dể dàng
- Không bị ảnh hưởng bởi khí hậu, độ ẩm nhờ các linh kiện đều được bọc trong vỏ kín
- Làm việc ổn định với các biến động của điện áp nguồn cung cấp
- Dễ dự phòng, thay thế
- Không có phần tử chuyển động trong điều kiện tỏa nhiệt tự nhiên, có thể làm mát bằng quạt gió để kéo dài tuổi thọ
- Đáp ứng được các giá trị điện áp và dòng điện theo yêu cầu bằng cách ráp song song và nối tiếp các thyristor lại với nhau
- Chịu được chấn động cao, thích hợp cho các thiết bị lưu động
- Phạm vi nhiệt độ làm việc rộng, thông số ít thay đổi theo nhiệt độ
- Đặc tính điều khiển có nhiều ưu điểm
NGUYÊN TẮC BIẾN ĐỔI TĨNH
Trong lĩnh vực điện tử công suất, các khối chức năng được biểu diễn bằng các ký hiệu sơ đồ khối, trong đó điện năng được truyền từ nguồn (ký hiệu 1) đến tải (ký hiệu 2).
Nhiệm vụ của mạch chỉnh lưu nhằm biến đổi năng lượng nguồn xoay chiều một pha hoặc ba pha sang dạng năng lượng một chiều
Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ chỉnh lưu
Nhiệm vụ mạch nghịch lưu nhằm biến đổi năng lượng dòng một chiều
U 1 , f 1 U 2 , f 2 =0Hz thành năng lượng xoay chiều một pha hoặc ba pha
Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ nghịch lưu
2.1.3 Các hệ thống biến đổi
Các mạch biến đổi nhằm thay đổi:
- Dòng xoay chiều có điện áp, tần số và số pha xác định sang các giá trị khác
Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ biến đổi
- Dòng một chiều có điện áp xác định sang dòng một chiều có giá trị điện áp khác (converter DC to DC)
Mạch biến đổi là sự kết hợp giữa mạch chỉnh lưu và mạch nghịch lưu, và được phân chia thành hai loại chính: biến đổi trực tiếp và biến đổi có khâu trung gian.
Tính chất của tải có ảnh hưởng rất quan trọng đến chế độ làm việc của các mạch đổi điện, người ta chia tải thành các loại như sau:
Tải thuần trở chỉ bao gồm các điện trở thuần, là loại tải đơn giản nhất với dòng điện và điện áp cùng pha Loại tải này chủ yếu được ứng dụng trong lĩnh vực chiếu sáng và trong các lò nung.
Tải cảm kháng có đặc tính lưu trữ năng lượng, tính chất này được thể hiện
Hiện tượng san bằng thành phần gợn sóng trong điện áp một chiều ở ngõ ra của mạch nắn điện U1, f1 và U2, f2 là rất quan trọng Đồng thời, xung điện áp cao xuất hiện tại thời điểm cắt tải cũng cần được chú ý.
Các ứng dụng quan trọng của loại tải này bao gồm cuộn kích từ trong máy điện để tạo ra từ trường, cũng như trong các thiết bị nung cảm ứng và lò tôi cao tần.
Trong các trường hợp này điện cảm thường được mắc song song với điện dung để tạo thành một khung cộng hưởng song song
Các loại tải thường đi kèm với nguồn điện áp, như các van chỉnh lưu trong chế độ phân cực nghịch Ví dụ điển hình là quá trình nạp điện cho bình ắc quy và sức phản điện của động cơ điện.
Hình 1.4: Sơ đồ tương đương của một tải trở kháng với sức phản điện
Các van điện là các thành phần cho phép dòng điện chỉ chảy theo một chiều nhất định, đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực điện tử công suất Các thiết bị này bao gồm diode bán dẫn, thyristor và cả transistor công suất, giúp kiểm soát và điều chỉnh dòng điện hiệu quả.
2.3.1 Van không điều khiển được (diode)
Một diode lý tưởng cho phép dòng điện chỉ chạy khi điện áp tại anode lớn hơn điện áp tại cathode Điện áp đầu ra của diode phụ thuộc hoàn toàn vào điện áp đầu vào của nó.
2.3.2 Van điều khiển được (thyristor)
Môt chỉnh lưu có điều khiển lý tưởng không dẫn điện khi anode và cathode được phân cực thuận Để các van dẫn điện, cần có xung kích tại cực cổng cùng với chế độ phân cực thuận (U AK dương và U GK dương) Điện áp ngõ ra không chỉ phụ thuộc vào điện áp vào mà còn vào thời điểm xuất hiện xung kích, được đặc trưng bởi góc kích α.
CƠ BẢN VỀ ĐIỀU KHIỂN MẠCH HỞ
Vào thế kỷ trước, sự phát triển kỹ thuật chủ yếu tập trung vào khả năng tự động hóa nhờ vào ứng dụng của cơ khí hóa.
Tự động hóa là quá trình tự thực hiện theo chương trình đã định mà không cần sự can thiệp của con người, với nhiều ưu điểm như an toàn, chính xác và hiệu quả kinh tế cao Kỹ thuật tự động hóa được chia thành hai chuyên ngành chính: kỹ thuật điều khiển và kỹ thuật điều chỉnh, thường kết hợp với nhau trong thực tế Một ví dụ điển hình là phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều thông qua cầu chỉnh lưu có điều khiển.
Các van chỉnh lưu được mô tả ở phần trên sử dụng khái niệm “van có điều khiển” Thyristor được điều khiển bằng cách dịch chuyển pha của xung kích, dẫn đến sự thay đổi của điện áp ra và công suất trên tải.
Thuật ngữ “điều khiển” đề cập đến quá trình mà trong đó một hoặc nhiều đại lượng đầu vào của hệ thống tác động đến các đại lượng đầu ra của hệ thống đó.
Khi các đại lượng ra không được hồi tiếp vào ngõ vào, quá trình này được gọi là quá trình hở Hướng tác động của quá trình là cố định và được biểu diễn bằng các mũi tên, như minh họa trong hình 1.5.
Theo tiêu chuẩn DIN 19226, trong kỹ thuật điều khiển, đại lượng ra X được định nghĩa là một đại lượng vật lý của hệ thống, chịu ảnh hưởng bởi một quy luật điều khiển nhất định Đối tượng điều khiển là một phần của quá trình điều khiển, nơi phát sinh đại lượng ra Trong hệ thống truyền động điều chỉnh bằng thyristor, động cơ và thyristor đóng vai trò là đối tượng điều khiển, trong khi tốc độ và mô men quay là các đại lượng ra.
Phần tử chấp hành là bộ phận quan trọng trong hệ thống điều khiển, có chức năng tác động trực tiếp đến năng lượng hoặc khối lượng cần kiểm soát Các phần tử này được chia thành hai loại: loại tác động gián đoạn, như rơ le và công tắc tơ, và loại tác động liên tục, bao gồm con trượt, van tiết lưu, transistor, cùng với mạch nắn điện có điện áp ra có thể thay đổi.
Tín hiệu điều khiển y là tín hiệu tác động vào phần tử chấp hành, đây chính là tín hiệu ra của phần tử điều khiển
Phần tử điều khiển tạo ra tín hiệu điều khiển và cấu trúc của nó phụ thuộc vào đại lượng vào Đại lượng vào w được cung cấp từ bên ngoài vào hệ thống, không bị ảnh hưởng bởi quá trình điều khiển Giữa đại lượng vào và đại lượng ra có một mối quan hệ xác định.
Nhiễu z có nguồn gốc từ nhiều nguyên nhân khác nhau, có thể tạo ra những tác động ngoài ý muốn đến kết quả điều khiển
Hình 1.5: Định nghĩa hệ điều khiển hở
Hình 1.6: Sơ đồ khối một hệ điều khiển hở
3.2 Các phương pháp điều khiển
Dựa trên nguyên lý làm việc người ta chia thành hai phương pháp điều khiển
HỆ ĐIỀU KHIỂN Đại lượng vào Đại lượng ra
X out1 Đối tượng điều khiển
Năng lượng Đại lượng ra
Dựa trên trình tự thực hiện, các phương pháp điều khiển được phân loại thành năm loại chính: điều khiển theo chương trình, điều khiển theo thời gian, điều khiển theo tuyến, điều khiển theo quá trình và điều khiển lập trình.
Trong phương pháp này, giữa các đại lượng vào và ra luôn có một mối quan hệ đơn trị ổn định, giúp hệ thống không bị ảnh hưởng bởi nhiễu Đại lượng vào w có thể được điều chỉnh từ 0 đến w bởi công nhân vận hành máy Một ví dụ điển hình là mạch điều chỉnh độ sáng của đèn.
Hệ thống điều khiển hoạt động theo chế độ đóng-ngắt, bắt đầu với giá trị vào tương ứng với trạng thái đóng (ON) để kích hoạt phần tử chấp hành Khi nhấn nút STOP hoặc một tiếp điểm hành trình nào đó, hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái ngắt.
Phương pháp này được dùng rất phổ biến trong các hệ thống có phần tử chấp hành loại điện cơ như: Rơ le, công tắc tơ
Trong kỹ thuật lắp đặt điện gia dụng, phương pháp điều khiển gián đoạn sử dụng các rơ le dòng, mạch cảm biến - tiếp điểm và cảm biến - không tiếp điểm (bán dẫn), như minh họa trong hình 1.7.
Hình 1.7: Hệ điều khiển gián đoạn dùng cảm biến
Các phần tử R1, R2, T và C3 cung cấp nguồn nuôi cho Flip-Flop và các transistor trong mạch cảm biến Flip-Flop hoạt động như một rơ le điện tử, kích hoạt khi có tín hiệu tại ngõ vào E từ bản cực cảm biến B Khi đó, transistor Q3 tắt, triac được kích hoạt trong từng bán kỳ của điện áp nguồn, cho phép dòng chảy qua tải Xung tiếp theo làm transistor dẫn, tụ C2 bị ngắn mạch, khiến triac chuyển sang trạng thái tắt và dòng qua tải giảm xuống bằng 0.
Chế độ tiếp xúc là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều khiển gián đoạn, trong đó trạng thái ON chỉ hoạt động khi một nút nhấn hoặc tiếp điểm nhiều vị trí được giữ ở trạng thái đóng Phương pháp này thường được áp dụng trong các cơ cấu nâng, yêu cầu mỗi chuyển động như tới, lui, lên, xuống cần có một nút nhấn riêng biệt Trong ứng dụng này, vị trí của cần trục được xem là đại lượng ra X out.
3.2.3 Điều khiển theo chương trình Điều khiển theo chương trình là sự mở rộng của hai phương pháp điều khiển vô cấp và điều khiển gián đoạn, trong phương pháp này sử dụng các ''cảm biến chương trình'' và lại được chia làm hai loại: Điều khiển tuần tự theo thời gian và điều khiển theo tuyến
KỸ THUẬT ĐIỀU CHỈNH (ĐIỀU KHIỂN MẠCH KÍN)
Một yếu tố quan trọng trong hệ thống điều khiển là tác động của nhiễu đến đối tượng điều khiển, dẫn đến sự thay đổi không kiểm soát của tín hiệu đầu ra Để đảm bảo tín hiệu đầu ra đạt giá trị mong muốn, cần thiết phải có một khâu điều chỉnh thực hiện việc kiểm tra và sửa sai, so sánh giữa giá trị đặt và giá trị thực Nếu hệ thống không yêu cầu xử lý nhanh, công việc này có thể được thực hiện bởi công nhân vận hành máy.
Khi xe bị lệch hướng do tác động của gió, tài xế cần điều chỉnh tay lái để đưa xe trở lại đường đã định.
Việc áp dụng kỹ thuật điều chỉnh trong các lò nung đảm bảo chất lượng nung ổn định, nhờ vào việc nhiệt độ luôn được duy trì ở mức giá trị đã được cài đặt trước.
Con người là yếu tố chính trong mô hình điều chỉnh, thể hiện rõ ràng tất cả các đặc điểm của hệ thống điều chỉnh bằng tay.
Quá trình điều chỉnh là một hệ thống tự động, trong đó đại lượng vật lý như nhiệt độ của lò nung được ghi nhận và xử lý liên tục Qua việc so sánh đại lượng mẫu x với đại lượng chuẩn w (giá trị đặt), sự sai biệt giữa chúng sẽ được phát hiện và tín hiệu điều khiển sẽ được điều chỉnh nhằm giảm thiểu sai lệch này Đại lượng mẫu đóng vai trò quan trọng trong quá trình so sánh của hệ thống điều chỉnh khép kín, hay còn gọi là "vòng điều chỉnh".
Trong quá trình điều chỉnh, có hai thành phần chính: đối tượng điều chỉnh và khâu điều chỉnh Khâu điều chỉnh bao gồm cả bước so sánh, trong đó tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào sự chênh lệch giữa đại lượng mẫu và đại lượng chuẩn Tín hiệu này sẽ được sử dụng để điều chỉnh đại lượng đầu ra theo đúng yêu cầu.
Mục đích chính của việc điều chỉnh trong kỹ thuật điều khiển là đạt được giá trị đặt cho đại lượng w Dựa vào giá trị này, có ba loại điều chỉnh được phân loại: điều chỉnh theo giá trị cố định, điều chỉnh tùy động và điều chỉnh theo trình tự thời gian.
Trong phương pháp điều chỉnh theo giá trị cố định, giá trị đặt là một hằng số trong suốt quá trình hoạt động
Trong phương pháp điều chỉnh tùy động, giá trị thực được xác định dựa trên giá trị đặt, và giá trị này có thể thay đổi trong quá trình hoạt động Ví dụ, trong máy cắt bằng tia lửa điện, vị trí cắt được xác định bởi máy tính, với mỗi vị trí tương ứng có một giá trị đặt cụ thể.
Phương pháp điều chỉnh theo trình tự thời gian dựa vào giá trị đặt theo một chuỗi thời gian xác định Chẳng hạn, hệ thống sẽ tự động giảm nhiệt độ trong phòng sau mỗi giờ, đảm bảo môi trường luôn thoải mái và tiết kiệm năng lượng.
Trong kỹ thuật điều chỉnh, tín hiệu điều khiển không bị ảnh hưởng bởi giá trị đặt mà chỉ phụ thuộc vào tín hiệu sai biệt Điều này khác biệt với kỹ thuật điều khiển, nơi tín hiệu có thể bị tác động bởi giá trị mục tiêu.
Hệ điều chỉnh nhận tín hiệu ra từ khâu so sánh, với hai tín hiệu đầu vào là giá trị đặt w và giá trị mẫu x Tín hiệu điều khiển sau đó sẽ tác động đến phần tử chấp hành.
Các khái niệm thường dùng trong kỹ thuật điều chỉnh là:
Tín hiệu sai biệt X d = w - x Độ lệch điều chỉnh X = x – w = - Xd
Nhiễu là yếu tố gây ra tác động tiêu cực đến đối tượng điều chỉnh và quá trình điều chỉnh Nó dẫn đến sự thay đổi trong đại lượng mẫu x, mặc dù giá trị đặt không thay đổi, cũng như ảnh hưởng đến đại lượng đầu ra X out, bất chấp tín hiệu điều khiển vẫn cố định.
4.2 Hoạt động của vòng điều chỉnh
Hình 1.10 cho thấy cấu tạo của một vòng điều chỉnh, trong đó chủ yếu là đối tượng điều chỉnh và khâu điều chỉnh
Giống như trong kỹ thuật điều khiển, đại lượng ra được lấy từ đối tượng Đối tượng điều chỉnh
So sánh KHÂU SO SÁNH
Bộ biến đổi Điều khiển Y
Năng lượng Đại lượng ra điểm đo
Kỹ thuật điều chỉnh và kỹ thuật điều khiển có sự khác biệt quan trọng trong việc hồi tiếp tín hiệu từ đầu ra về đầu vào của hệ thống Quá trình hồi tiếp bao gồm một khâu điều chỉnh và một khâu so sánh, trong đó tín hiệu mẫu x được đảo pha, biểu thị bằng dấu trừ, để tạo ra hồi tiếp âm, điều này là cần thiết nhằm đảm bảo sự ổn định của hệ thống Khi tín hiệu đầu ra Xo tăng lên, tín hiệu điều chỉnh Y sẽ giảm xuống và ngược lại Hình 1.11 minh họa nguyên tắc hoạt động của hai vòng điều chỉnh.
Sơ đồ hình a mô tả một mạch khuếch đại đảo, trong đó khuếch đại thuật toán là đối tượng điều chỉnh và các điện trở hồi tiếp âm là khâu điều chỉnh Tín hiệu hồi tiếp được đưa vào ngõ vào đảo của khuếch đại thuật toán với mục đích đảo pha.
Hình 1.11: Sơ đồ khối các vòng điều chỉnh
Thông thường khâu so sánh được đặt trước khâu điều chỉnh (hình 1.11b)
Một vòng điều chỉnh khép kín có khả năng phản ứng với biến đổi của đại lượng chỉnh định và nhiễu Vì lý do này, các vòng điều chỉnh được phân thành hai loại: vòng điều chỉnh đáp ứng với nhiễu và vòng điều chỉnh đáp ứng với đại lượng chỉnh định.
CÔNG TẮC ĐIỆN TỬ
LINH KIỆN VÀ MODULE
Các linh kiện điện tử công suất không chỉ sở hữu những đặc tính cơ bản mà còn có những tính chất đặc biệt, giúp đáp ứng tốt yêu cầu trong lĩnh vực điều khiển công suất lớn.
Linh kiện điện tử công suất chủ yếu được sản xuất từ chất bán dẫn silic, có khả năng chịu nhiệt độ làm việc và điện áp nghịch cao Để đánh giá chất lượng của các linh kiện này, người ta dựa vào nhiều tiêu chí khác nhau.
- Đặc tính tĩnh (dẫn điện thuận-nghịch)
- Đặc tính động (du/dt và di/dt)
- Ảnh hưởng theo nhiệt độ
V.D: Vào năm 1983 trên thực tế đã chế tạo được các thyristor công suất lớn chịu được điện áp nghịch đến 4,4Kv
Diode công suất khác biệt so với diode thường nhờ vào cấu trúc bao gồm ba vùng bán dẫn silic với mật độ tạp chất khác nhau, được gọi là cấu trúc PsN Giữa hai vùng bán dẫn PN, có một vùng S với mật độ tạp chất rất thấp.
Hình 2.1: Cấu tạo và ký hiệu điện diode công suất PsN
1.2.1 Đặc tuyến V – A Đường đặc tính diode công suất rất gần với đặc tính lý tưởng (hình 2.2), trong đó đoạn đặc tính thuận có độ dốc rất thẳng đứng (hình 2.2b) vì vây, nhiệt độ trên diode xem như không đổi, điện áp thuận trên diode là tổng giữa điện áp ngưỡng U (TO) không phụ thuộc dòng điện với thành phần điện áp tỉ lệ với dòng điện thuận chảy qua diode Giả sử nhiệt độ là hằng số, điện áp thuận trên diode được tính theo công thức gần đúng sau :
Với r F : Điện trở động theo chiều thuận
Hình 2.2: a) Đặc tính diode lý tưởng ; b) đặc tính diode thực tế
1.2.2 Hệ số hình dáng Độ tin cậy của diode được đánh giá qua khả năng chịu tải ở chế độ làm việc dài hạn với tần số lưới điện 50-60Hz và nhiệt độ tại mối nối phụ thuộc rất lớn vào công suất tiêu tán, nhiệt trở và điều kiện tỏa nhiệt của diode
Trong thực tế, dòng qua diode thường không cố định mà có dạng xung, bao gồm hai giá trị chính: giá trị hiệu dụng và giá trị trung bình Đặc biệt, trong trường hợp chỉnh lưu 3 pha bán kỳ (M3), thời gian dẫn của mỗi diode là T/3 Hình 2.3 minh họa các giá trị của dòng i F được đo bằng dụng cụ đo chỉ thị kim.
Hình 2.3: Đồ thị thời gian dòng thuận của dioe, giá trị trung bình và hiệu dụng
Trong sổ tay tra cứu thường cho giá trị trung bình I
FAV của diode Hình 2.3 cho thấy các giá trị này được tính từ chuỗi xung dòng qua diode
Mặt khác giá trị hiệu dụng IFRMS được đo bằng đồng hồ d d
Sự khác biệt giữa dòng điện đo bằng đồng hồ và dòng điện tính toán được thể hiện qua hệ số hình dáng F, là tỷ số giữa giá trị hiệu dụng và giá trị trung bình.
Hệ số hình dáng của dòng điện phụ thuộc vào dạng tín hiệu, cho phép xác định giá trị còn lại khi biết tần số F và một trong hai giá trị.
Hình 2.4: Hệ số hình dáng các dạng dòng điện quan trọng
1.2.3 Công suất trên diode khi dẫn điện
Công suất rơi trên diode được tính theo công thức
Với IFRMS= F.I FAV , suy ra:
1.2.4 Điều kiện chuyển mạch và điện áp nghịch
Một diode có thể được điều khiển để dẫn hoặc tắt dựa trên cực tính của điện áp áp dụng Tuy nhiên, diode chỉ chuyển sang trạng thái tắt khi dòng điện qua nó đạt giá trị bằng 0.
Hình 2.5: Diode như 1 công tắc điều khiển bằng điện áp
Trong hình trình bày một công tắc diode lý tưởng đáp ứng được các điều kiện sau:
Trong quá trình làm việc, xung nhiễu có thể làm tăng điện áp nghịch tức thời trên diode, nhưng cần đảm bảo rằng điện áp này không vượt quá giá trị cho phép U RRM Trong mạch chỉnh lưu, giá trị này thường được lựa chọn với hệ số an toàn từ 1,5 đến 2.
Nếu ngõ ra mạch chỉnh lưu có dùng tụ lọc thì điện áp nghịch đặt trên diode bằng 2 lần giá trị đỉnh của điện áp xoay chiều ở ngõ vào
1.2.5 Phân loại diode công suất
Dựa trên lĩnh vực ứng dụng, các diode công suất được chia thành các loại như sau:
- Diode tiêu chuẩn (tốc độ chậm) dùng cho các yêu cầu thông thường với tần số làm việc từ 50 60Hz
- Diode công suất lớn với dòng cho phép đến 1,5KA
-Diode điện áp cao với điện áp nghịch cho phép đến 5KV
-Diode tốc độ nhanh với thời gian trì hoãn ngắn, có đặc tính động và hiệu suất cao
- các diode cho phép làm việc với xung điện áp nghịch trong một khoảng thời gian ngắn
Hình dáng của dioe công suất thực tế:
Thyristor, còn được gọi là SCR, là một linh kiện điện tử công suất phổ biến Đặc tính nghịch của Thyristor tương tự như diode, trong khi đặc tính thuận chỉ có hai trạng thái xác định Để chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn, cần kích xung điện áp dương vào cực cổng của Thyristor Khoảng cách từ gốc tọa độ đến thời điểm xuất hiện xung kích được gọi là góc kích α.
Hình 2.6: Đường đặc tính lý tưởng của Thyristor
Hình 2.7: Đường đặc tính thực tế của thyristor
Vì đặc tính thuận giống như diode nên phương pháp tính công suất tiêu tán cũng tương tự diode, chỉ khác ở chỉ số F được thay bằng chỉ số T
Hình 2.8 là mạch chỉnh lưu có điều khiển dùng thyristor với các điều kiện chuyển mạch như sau:
Không dẫn: U < 0; UGK bất kỳ(Khóa nghịch)
Không dẫn: U > 0; UGK 0(Khoá thuận)
Hình 2.8: Thyristor như 1 công tắc điều khiển bằng công tắc và xung kích
Dòng kích trong khoảng thời gian bán kỳ âm làm giảm khả năng chịu đựng điện áp nghịch của thyristor Trong khi theo chiều thuận chỉ có một miền PN phân cực nghịch, theo chiều nghịch lại có hai miền Tuy nhiên, nhà sản xuất thường quy định hai trị số điện áp đánh thủng là bằng nhau.
Hình 2.9: Đặc tính khóa nghịch của thyristor theo dòng kích
Ngoài ra trong sổ tay còn cho biết dòng rò theo chiều thuận I D cũng như theo chiều nghich I R Các dòng điện này phụ thuộc vào nhiệt độ mối nối ν J ,
Mạch điều khiển trong sổ tay cung cấp thông tin về dòng kích I GT và điện áp kích GT, thường là các trị số tối thiểu, được xác định ở nhiệt độ mối nối là 25 độ C.
Trong trường hợp tải điện cảm, cần duy trì xung kích cho đến khi dòng điện qua thyristor vượt quá dòng duy trì I H Điều này nhằm ngăn chặn thyristor chuyển về trạng thái tắt (khóa thuận).
Hiện nay, thị trường đã phát triển nhiều loại thyristor với các tính chất đặc biệt, trong đó photo thyristor đóng vai trò quan trọng khi cần cách ly điện giữa mạch điều khiển và mạch động lực.
Hình 2.10: GTO thyristor cho phép tắt
PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ DIODE SILIC
Trong quá trình hoạt động, nhiệt độ, dòng điện và áp lực cơ học tác động lên các diode có sự khác biệt, do đó, trong các thiết bị chỉnh dòng, thường được kết nối với các phần tử bảo vệ để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động.
Quá điện áp có thể xảy ra do hiện tượng tích tụ điện tích, áp suất hoặc biến đổi dòng điện trong mạch điện cảm Những điện áp này có khả năng vượt quá mức điện áp nghịch cho phép của diode, dẫn đến nguy cơ hư hỏng diode.
2.1.1 Bảo vệ quá áp do hiệu ứng tích tụ điện tích
Khi điện áp trên diode giảm xuống 0, vẫn còn nhiều hạt tải tự do tại vùng tiếp xúc, cho phép dòng điện tiếp tục chảy qua diode mặc dù điện áp đã đảo chiều Dòng điện này sẽ giảm đột ngột khi các hạt tải rời khỏi vùng tiếp xúc, tạo ra một xung điện áp trong mạch điện cảm Hiện tượng tích tụ điện tích diễn ra theo chu kỳ và phụ thuộc vào điện áp lưới điện.
Xung điện áp phát sinh có thể làm tăng điện áp lưới, gây nguy hiểm cho diode Để bảo vệ diode, cần ghép một mạch bảo vệ có tính chất điện dung song song với diode, hay còn gọi là mạch AHS, giúp dòng điện tiếp tục chảy qua điện dung.
Hình 2.25: Bảo vệ diode trong chỉnh lưu cầu bằng mạch AHS
Khác với diode, thyristor yêu cầu mức điện tích nạp vào tụ phụ thuộc vào góc kích, và trong thời gian thyristor dẫn, tụ sẽ phóng điện đột ngột Do đó, cần sử dụng mạch bảo vệ AHS, bao gồm một tụ điện nối tiếp với một điện trở đệm Giá trị của các linh kiện này phụ thuộc vào mạch điện cụ thể, điện áp lưới và dòng thuận cho phép Ví dụ, với các thyristor có dòng điện khoảng 50A, cần tính toán điện áp nguồn, điện trở và tụ phù hợp.
Hình 2.26: Giá trị các mạch AHS
2.1.2 Quá áp do đóng ngắt
Quá điện áp có thể xảy ra từ việc đóng ngắt tải điện cảm hoặc điện dung, biến thiên từ thông trong động cơ điện một chiều, hoặc do sét đánh vào dây dẫn ngoài trời Vì vậy, việc lựa chọn biện pháp bảo vệ cần dựa trên từng trường hợp và ứng dụng cụ thể.
Trong nhiều trường hợp, mạch RC có thể bảo vệ khỏi hiện tượng quá áp bằng cách tích trữ năng lượng từ các xung điện áp Các điện trở trong mạch giúp triệt tiêu dao động tự kích Một mạch RC thường đảm nhiệm cả hai nhiệm vụ quan trọng: bảo vệ AHS và ngăn chặn quá điện áp.
Phương pháp này có hạn chế về kích thước tụ lớn và tính kinh tế không cao Đối với các diode điện áp thấp, thường áp dụng phương pháp bảo vệ bằng các phần tử giới hạn điện áp.
Hình 2.27: Bảo vệ quá áp do đóng ngắt và tích tụ điện tích
2.1.3 Các phần tử bảo vệ quá áp
Các phần tử được phân loại thành hai loại: loại dẫn điện khi quá điện áp và loại hạn chế điện áp Loại dẫn quá áp có đặc điểm điện trở âm, chuyển sang trạng thái dẫn điện với điện trở nhỏ khi điện áp đạt giá trị xác định.
Các phần tử giới hạn điện áp, bao gồm Varistor và diode giới hạn điện áp đối xứng, được thiết kế để bảo vệ các linh kiện bán dẫn bằng cách hạn chế điện áp ở mức xác định Hình 2.28 minh họa ba loại phần tử bảo vệ quá áp quan trọng nhất thường được sử dụng trong kỹ thuật chỉnh dòng.
Loại thyristor này có đặc tính phù hợp với việc hạn chế điện áp do xung điện áp gây ra, nhờ vào nhiệt dung lớn của chúng.
Varistor là thành phần quan trọng trong mạch TSE cho các thyristor với đỉnh dòng ngược dưới 20A Chúng chủ yếu được sử dụng để hạn chế điện áp trong các mạch chỉnh lưu không điều khiển có công suất nhỏ và trung bình, cũng như trong các mạch ổn áp.
Các thiết bị này có cấu tạo tương tự như thyristor, nhưng sở hữu điện áp đánh thủng cố định và chính xác U BO (hình 2.28) Loại thiết bị này không có cực cổng và điện áp đánh thủng được thiết kế trong khoảng từ 500V đến 4000V, nhằm ngăn chặn khả năng tự dẫn của thyristor.
Hình 2.28: Các phần tử bảo vệ quá áp
Varistor sẽ hạn chế điện áp khi thyristor ở trạng thái khóa thuận để tránh hiện tượng tự dẫn của thyristor khi xuất hiện xung điện áp
Diode ổn áp đối xứng
Diode giới hạn điện áp ghép nối tiếp và ngược chiều là giải pháp hiệu quả để bảo vệ các diode lớn trong thiết bị công suất từ 100KW trở lên Đối với thyristor có tốc độ tăng điện áp thấp, việc bổ sung mạch AHS là cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định.
Hình 2.29: Bảo vệ quá áp các bộ biến đổi công suất thấp dùng varistor
Hình 2.30: Bảo vệ các thyristor công suất ở trạng thái khóa dùng diode quá áp
Hình 2.31: Bảo vệ quá áp các van bộ biến đổi công suất lớn theo chiều khóa dùng diode quá áp
Hình 2.32: Bảo vệ quá áp theo 2 chiều các thyristor công suất lớn dùng diode ổn áp đối xứng
Hình 2.33: Bảo vệ quá áp các thyristor công suất lớn trong mạch nối tiếp dùng diode ổn áp đối xứng kết hợp mạch AHS
2.2 Bảo vệ quá dòng và ngắn mạch
Diode silic thường có nhiệt dung thấp, dễ bị quá nhiệt khi dòng điện vượt quá giá trị cho phép Tốc độ tăng dòng không được lớn hơn giá trị S i-krit, nếu không sẽ dẫn đến hư hỏng diode Cần chú ý đến giới hạn dòng điện và công suất, thông tin này thường được cung cấp trong sổ tay của nhà sản xuất Như đã đề cập ở mục 2.1.5.4, tốc độ tăng dòng di/dt có thể giảm bằng cách thêm điện cảm trong quá trình làm việc, đồng thời cần bảo vệ các diode khỏi các tác động tiêu cực.
- Quá dòng ngắn hạn khi chạm mạch cũng như quá tải
- Quá dòng dài hạn (luôn bị quá tải) Dựa trên nguyên nhân phát sinh, các hiện tượng trên được phân loại như sau:
Gây ra bởi khả năng chịu đựng điện áp thuận cũng như nghịch của thyristor giảm, bởi xung nhiễu hoặc các miền tiếp xúc bên trong bị ngắn mạch
Gây ra do tải bị ngắn mạch, điện áp lưới quá cao hoặc hư hỏng thiết bị chuyển mạch
CÔNG TẮC XOAY CHIỀU VÀ 3 PHA
Trong kỹ thuật xoay chiều 3 pha, các van bán dẫn như transistor và thyristor chỉ cho dòng điện chảy theo một chiều Để đáp ứng yêu cầu cho dòng điện chảy theo hai chiều, cần sử dụng triac hoặc ghép song song và ngược chiều các thyristor.
Hình 2.42: Công tắc xoay chiều dùng thyristor và triac
Công tắc được kích hoạt bằng cách gửi xung điện áp một chiều vào van, tương ứng với chiều dẫn điện trong mỗi bán kỳ của điện áp xoay chiều Mặc dù công tắc cơ khí vẫn còn được sử dụng, nhưng trong nhiều lĩnh vực, chúng đã dần được thay thế bởi công tắc điện tử.
Trong sổ tay kỹ thuật các công tắc điện tử có ký hiệu như sau:
- Rờ le điện tử ELR
- Rờ le bán dẩn SSR
Phần sau đây trình bày ưu và khuyết điểm của công tắc điện tử so với công tắc cơ khí Ưu điểm
- Tốc độ chuyển mạch cao
- Tần số đóng ngắt cao
- Không bị ảnh hưởng môi trường
- Không cách ly về điện giữa lưới và tải ngay cả ở trạng thái tắt
- Tiêu hao tương đối lớn
- Khả năng quá dòng có giới hạn
- Khả năng quá áp có giới hạn
Trong mạch điện trở, dòng điện và điện áp tỷ lệ thuận với nhau Khi xung kích xảy ra đúng lúc điện áp lưới đạt cực đại, dòng điện trong mạch sẽ tăng đột ngột đến giá trị cực đại Sự gia tăng nhanh chóng này có thể gây nguy hiểm cho van bán dẫn và tạo ra nhiễu tần số cao.
Hiện nay, hầu hết các công tắc xoay chiều trong ngành công nghiệp đều là loại chuyển mạch tại điểm điện áp bằng 0 Bài viết này sẽ giới thiệu một số công tắc quan trọng thuộc loại này.
3.2.1 Nguyên tắc chuyển mạch tại điểm 0
Hình 2.43 trình bày quan hệ giữa hoạt động của một công tắc khi đóng trực tiếp với tải và khi đóng tại điểm 0
Hình 2.43: Dòng tải qua công tắc 1 pha có và không có kích tại điểm 0
Công tắc chuyển mạch tại điểm 0 được cấu tạo từ các linh kiện điện tử, thường sử dụng thyristor hoặc triac cho các ứng dụng công suất lớn Thời điểm kích hoạt của công tắc này diễn ra ngay sau khi điện áp lưới đạt đến điểm 0.
Thyristor cũng như triac được điều khiển bằng điện áp một chiều hoặc xung, hiện nay có nhiều mạch điều khiển được chế tạo bằng công nghệ vi mạch
Công tắc chuyển mạch tại điểm 0 sử dụng vi mạch điều khiển TCA 780, với tải cảm kháng, cần điều chỉnh biến trở ở vị trí thích hợp để đạt góc kích ổn định α = 0° Khi tải được đóng mạch, xung kích phải có bề rộng đủ lớn để dòng điện qua van có thời gian tăng cao hơn dòng duy trì Ngoài ra, chuyển mạch tại điểm 0 cũng có thể thực hiện với vi mạch U106BS.
Hình 2.44: Công tắc xoay chiều 1 pha W1
3.2.2 Rờ le điện tử (ELR)
Rờ le điện tử, hay còn gọi là ELR hoặc SSR (rờ le bán dẫn), hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điều khiển điện tử Thiết bị này giúp cách ly điện giữa tải và mạch điều khiển, thường sử dụng các liên kết quang học để truyền tín hiệu điều khiển đến phần động lực thông qua ánh sáng.
Hình 2.45: Sơ đồ khối ELR
Thông số kỹ thuật của rờ le điện tử ELR A 240 (Siemens)
- Dòng chuyển mạch hiệu dụng 40A
- Điện áp chuyển mạch hiệu dụng 240V
- Đỉnh điện áp cực đại khi tắt 600V
- Tần số làm việc 47 63Hz
- Tích phân tải giới hạn (10mS) 300A 2 S
- Điện áp điều khiển (một chiều) 3 30V
- Dòng điều khiển (một chiều) < 20 mA
Một linh kiện ELR như thế được chế tạo dưới dạng một khối với 4 chân ra (hình 2.46) có kích thước như sau:
Hình 2.46: Kích thước của ELR 40A
Hình 2.47: Sơ đồ cơ bản của ELR
Hình 2.48: Đặc tính chuyển mạch của ELR trong vùng điện áp bằng 0
Khi không có điện áp điều khiển giữa chân 3 và 4 của ELR, thiết bị sẽ tắt, dẫn đến việc đèn LED V2 không sáng và transistor V3 bị khóa Lúc này, dòng cực nền chảy qua R4 làm cho transistor V4 dẫn bão hòa, khiến tín hiệu điều khiển thyristor V5 bị ngắn mạch Do đó, thyristor V5 và triac V7 sẽ tắt, chỉ còn dòng rò rất nhỏ chảy qua hai linh kiện này.
Khi áp dụng điện áp điều khiển từ 3V đến 30V giữa chân 3 và 4 của ELR, đèn LED V2 sẽ sáng, kích hoạt quang transistor V3 dẫn điện Với cầu phân áp được chọn phù hợp, V4 vẫn duy trì trạng thái tắt gần giá trị 0V của điện áp lưới Dòng kích qua R5 sẽ làm cho thyristor V5 và triac V7 dẫn điện, cung cấp dòng cho tải Khi dòng I L lớn hơn I H, điện áp rơi trên ELR sẽ có giá trị U T nhỏ hơn 1,6V.
Khi điện áp điều khiển Ucontr xuất hiện tại thời điểm t1 và điện áp lưới U vượt quá 30V, ELR sẽ giữ trạng thái tắt cho đến bán kỳ kế tiếp Thời gian trì hoãn khi đóng mạch có thể kéo dài đến 1 bán kỳ do đặc tính kích tại điểm 0, như được minh họa trong biểu đồ thời gian.
Tại thời điểm t1, quang transistor V3 được kích dẫn, trong khi transistor V4 vẫn dẫn do điện áp cực nền đủ lớn, khiến thyristor V5 và triac V7 cùng tải ở trạng thái tắt Trong chế độ làm việc dài hạn, ELR và tải luôn dẫn điện khi điện áp điều khiển được duy trì Như các đường đặc tính trong hình 2.48 và 2.49 cho thấy, triac V7 được kích dẫn trong mỗi bán kỳ tại điểm có điện áp bằng 0.
Khi mất điện áp điều khiển, triac sẽ ngừng hoạt động và dòng qua tải sẽ bằng 0 Diode V1 trong mạch điều khiển có chức năng bảo vệ ngược cực tính cho LED, do LED có điện áp nghịch cho phép rất thấp.
Hình 2.49: Đặc tính chuyển mạch của ELR khi điện áp lớn hơn 0V
3.2.3 ELR trong mạch tự duy trì Để đơn giản cho việc chuyển đổi từ các thiết bị đóng cắt điện cơ sang điện tử, các khái niệm trong kỹ thuật điều khiển điện cơ cũng được áp dụng trong kỹ thuật điều khiển dùng mạch điện tử
Hình 2.50: Mạch tự duy trì dùng công tắc tơ điện cơ
Hình 2.51: Mạch tự duy trì dùng rơle ELR
Ví dụ trong yêu cầu đóng ngắt dùng nút nhấn có một mạch rất quen thuộc đó là mạch "tiếp điểm tự duy trì" (hình 2.50)
Khi áp dụng khái niệm tự duy trì vào lĩnh vực điện tử công nghiệp, ELR được kích hoạt bằng một nút nhấn và ngắt bằng một nút nhấn khác, nhưng không sử dụng tiếp điểm phụ như trong hình 2.51 Hình 2.51 minh họa một mạch tự duy trì chỉ sử dụng ELR cùng với một bộ tích lũy năng lượng tại ngõ vào điều khiển để thực hiện chức năng tự duy trì.
Sau khi nhấn S1, bộ tích lũy cần thu thập đủ năng lượng để kích hoạt ELR trong các bán kỳ tiếp theo mà không cần nhấn S1 nữa.
CÔNG TẮC MỘT CHIỀU
Công tắc điện tử một chiều chỉ cần một thyristor để hoạt động, trong khi công tắc xoay chiều và công tắc ba pha yêu cầu ít nhất hai thyristor Ngoài ra, công tắc điện tử một chiều cũng có thể sử dụng các transistor chuyển mạch, mang lại sự linh hoạt trong thiết kế và ứng dụng.
Công tắc xoay chiều điện tử là một loại thiết bị phát triển gọn gàng, thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp Hiện nay, công tắc tơ DC dạng này chưa phổ biến do yêu cầu kỹ thuật không cao, và thay vào đó, các công tắc DC truyền thống sử dụng transistor và thyristor vẫn được ưa chuộng hơn.
4.3 Công tắc DC dùng transistor
Trong chế độ chuyển mạch, transistor chỉ hoạt động ở hai trạng thái ON hoặc OFF, và đặc tính chuyển mạch của nó phụ thuộc vào loại tải được sử dụng Hình 2.61 minh họa đường đặc tính làm việc cho tải điện trở (đường đứt nét) cùng với hai đường tương ứng cho tải điện cảm.
Hình 2.60: Transistor với tải điện cảm
Hình 2.61: Đặc tính làm việc của ông tắc transistor với tải điện cảm
4.3.1 Công tắc DC dùng BJT
Sơ đồ nguyên lý của công tắc transistor tải điện kháng được minh họa trong Hình 1.60, bao gồm thành phần điện cảm L và thành phần điện trở R, cùng với các đặc tuyến tương ứng.
Mạch điều khiển nam châm máy nâng vận chuyển có khả năng chống lại các điện áp nhiễu do sự ghép ký sinh với dây dẫn ở ngõ vào, mang lại hiệu quả cao trong ứng dụng thực tế.
4.3.2 Công tắc DC dùng FET
Thời gian trước đây transistor trường không được sử dụng trong lĩnh vực điện tử công suất, ưu điểm của chúng là:
-Công suất điều khiển thấp
VMOS-FET có độ ổn định nhiệt tốt, tuy nhiên, điện trở khi dẫn điện còn cao Một ưu điểm nổi bật của chúng là không cần điện trở cân bằng khi ghép song song các VMOS-FET, điều này khác biệt so với BJT.
Hình 2.62: Ghép song song VMOSFET
Hình 2.63: Ghép song song BJT
Với thiết kế gọn nhẹ, hiện nay một vi mạch có khả năng tích hợp từ vài nghìn VMOS-FET, cho phép hoạt động với điện áp lên đến 1000V và dòng điện đạt 30A.
4.4 Công tắc DC dùng GTO thyristor
Hiện nay, GTO thyristor là loại duy nhất có khả năng tắt thông qua xung âm kích vào cực cổng, với khả năng làm việc lên đến 200A và điện áp tối đa 1200V Tuy nhiên, ứng dụng của linh kiện này vẫn còn hạn chế do chi phí cao và công suất điều khiển cần thiết để tắt cũng lớn.
4.5 Công tắc DC dùng thyristor
Các chuyển mạch một chiều điện áp cao và dòng điện lớn thường sử dụng thyristor nhờ vào nhiều ưu điểm của nó Tuy nhiên, một nhược điểm đáng lưu ý là thyristor đang dẫn trong mạch điện một chiều chỉ có thể được tắt bằng biện pháp cưỡng bức, điều này cần năng lượng tích trữ từ một điện dung.
4.5.1 Công tắc DC thyristor với tải điện trở
Sơ đồ chuyển mạch một chiều sử dụng thyristor với tải điện trở được trình bày trong Hình 2.64 Bài viết tiếp theo sẽ giải thích nguyên lý hoạt động của tụ giao hoán nhằm tắt thyristor hiệu quả.
Hình 2.64: Công tắc DC thyristor với tụ giao hoán (các nút nhấn S1 và S2 là thường hở)
Hình 2.65: Điện tích trong tụ ở trạng thái 1
Trạng thái 1 (Trạng thái tĩnh)
Thyristor SCR tắt, nút nhấn S1 và S2 hở (hình 2.64), dòng trong mạch bằng
0, qua đèn và điện trở 1KΩ, điện áp 2 cực của điện dung C = 0,15μF cũng bằng điện áp nguồn U = 20V và tụ không được nạp (hình 2.65)
Trạng thái 2 (Trạng thái tĩnh)
Thyristor SCR được kích hoạt bởi S2, và sau khi S2 mở, dòng điện bắt đầu chảy qua đèn Lúc này, điện áp tại cực A của tụ khoảng +1V, tương ứng với điện áp rơi trên thyristor Trong khi đó, điện áp tại cực B của tụ là UB = +20V, dẫn đến việc tụ được nạp với điện áp khoảng 19V do B có điện áp dương hơn A.
Hình 2.66: Trạng thái 2 thyristor SCR đang dẫn
Hình 2.67: Tụ đang nạp ở trạng thái 2
Trạng thái 3 (trạng thái động)
Khi thyristor dẫn điện và đóng S1, cực B của tụ được nối với masse, dẫn đến điện áp tại cực B giảm từ +20V xuống 0V Do điện tích trong tụ không thể thay đổi ngay lập tức, điện áp tại cực A sẽ giảm từ +1V xuống -19V, khiến thyristor bị phân cực nghịch (anode âm hơn cathode) Kết quả là dòng điện giảm xuống dưới mức dòng duy trì, dẫn đến thyristor chuyển sang trạng thái tắt.
Hình 2.68: Trạng thái 3 nút nhấn S1 vừa mới đóng
Hình 2.69: Điện tích trong tụ ở trạng thái 3
Trạng thái 4 (trạng thái động)
Khi thyristor tắt và S1 vẫn đóng, dòng điện ngừng chảy qua đèn, dẫn đến điện áp tại cực A của tụ tăng từ -19V lên +20V, cho thấy tụ được nạp theo chiều ngược lại.
Hình 2.70: Trạng thái 4 S1 vẫn còn đóng, thyristor tắt
Hình 2.71: Điện tích trong tụ ở trạng thái 4
Quá trình nạp này xảy ra sau khi tụ đã phóng điện trước đó qua điện trở trong của nguồn nuôi
Trạng thái 5 (trạng thái động)
Khi tụ điện được nạp đến 20V, cực A dương hơn cực B Khi công tắc S1 mở ra, tụ điện sẽ phóng điện qua các điện trở R1, R2 và đèn theo quy luật hàm mũ cho đến khi điện áp tại cực B đạt +20V Lúc này, mạch trở về trạng thái ban đầu và sẵn sàng chờ xung kích tiếp theo.
Hình 2.72: Điện tích trong tụ ở trạng thái 5, S1 hở
4.5.2 Công tắc DC dùng thyristor với tải trở kháng
Chuyển mạch một chiều vừa trình bày ở phần trên cũng có thể làm việc với tải trở kháng nếu thêm vào trong mạch một vài phần tử thích hợp
Tan so xung kich f PHz
Hình 2.73: Công tắc DC thyristor với tải trở kháng (mạch thí nghiệm)
Chuyển mạch một chiều được sử dụng phổ biến trong các thiết bị chỉnh dòng, mang lại ưu điểm vượt trội so với chuyển mạch cơ, bao gồm thời gian tác động nhanh và độ tin cậy cao.
Bài tập
1 Trình bày phương pháp đo đạc diode công suất
2 Trình bày phương pháp đo đạc Transitor công suất
3 Trình bày phương pháp đo đạc Thyristor công suất
4 Trình bày phương pháp đo đạc Triac công suất
5 Trình bày phương pháp đo đạc GTO công suất
6 Trình bày phương pháp đo đạc IGBT công suất
ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT ĐIỆN TỬ
ĐẠI CƯƠNG
Quá trình hoạt động của mạch điều khiển công suất trong lưới điện xoay chiều một pha và ba pha diễn ra ổn định, với các linh kiện triac và thyristor tự động tắt khi dòng điện giảm về 0 Tuy nhiên, trong ứng dụng mạch điện một chiều, cần áp dụng các biện pháp thích hợp để tắt các thyristor.
Trong mạch điện xoay chiều một pha và ba pha, bên cạnh việc thay đổi góc pha, phương pháp điều khiển chuỗi xung cũng được áp dụng để điều chỉnh công suất tiêu thụ trên tải.
ĐIỀU KHIỂN CHUỔI XUNG (TOÀN SÓNG)
Phương pháp điều khiển toàn sóng, hay còn gọi là phương pháp điều khiển bằng kỹ thuật chuyển mạch tại điểm 0, cho phép điều chỉnh quá trình đóng - mở tải Thời gian đóng - mở linh hoạt giúp thay đổi công suất rơi trên tải từ 0% đến 100%, mang lại hiệu quả cao trong việc quản lý năng lượng.
Phương pháp này thường áp dụng trong yêu cầu điều khiển lò sưởi vì các ưu điểm sau đây:
- Ít gây nhiễu vô tuyến do đặc điểm của phương pháp kích tại điểm 0
- Hệ số công suất cos ϕ = 1 vì công suất phản kháng thấp
- Ít sóng hài vì trong khoảng thời gian dẫn điện dòng qua tải có dạng hình sin
Tín hiệu điều khiển có hình dạng chữ nhật với bề rộng xung thay đổi và chu kỳ cố định Phương pháp điều khiển chuỗi xung, với chu kỳ TSW = 80ms, cho phép dòng điện chảy qua tải trong khoảng thời gian t on = 60ms và ngừng trong khoảng t off = 20ms Tỉ số ton/toff cho thấy công suất P trên tải nhỏ hơn công suất cực đại Pmax.
P = (t on /T off ) Pmax Hình 3.1 tương ứng với trường hợp P = 3/4.Pmax tức là công suất rơi trên tải bằng 75% công suất tiêu thụ cực đại của tải
Hình 3.1: Nguyên tắc điều khiển chuỗi xung
Trong lĩnh vực điều khiển nhiệt độ, chu kỳ xung T
SW phụ thuộc vào quán tính nhiệt của lò sưởi, với giá trị T SW thường khoảng vài giây Công suất trên tải đạt cực tiểu khi thời gian dẫn ton ngắn nhất, và dòng điện qua tải duy trì trong nhiều chu kỳ của điện áp lưới.
Công suất tải đạt cực đại khi thời gian tắt t off được rút ngắn tối đa Tuy nhiên, phương pháp này không phù hợp với việc điều khiển độ sáng của đèn và tốc độ động cơ, vì nó gây ra hiện tượng nhấp nháy ánh sáng và làm cho động cơ không quay tròn đều.
Nhiều vi mạch được thiết kế để điều khiển chuỗi xung, kết hợp khả năng định thời và tạo xung kích cho các mạch điều khiển thông qua phương pháp thay đổi góc pha.
Theo tiêu chuẩn DIN EN 50006/VDE 0838, phương pháp điều khiển chuỗi xung được xác định là đối xứng khi không có thành phần một chiều qua tải, với số lượng bán kỳ dương bằng số lượng bán kỳ âm trong khoảng thời gian dẫn Để điều khiển công suất tải từ P = 1% đến P = 99%, giả sử T.
SW = 4S (tương đương 200 chu kỳ) tại tần số lưới f = 50Hz Thời gian dẫn ngắn nhất là t on min = 40mS và dài nhất là t on max = 3960mS Xung điều khiển cần có dạng chữ nhật với bề rộng thay đổi từ 40mS đến 3960mS, trong khi chu kỳ phải được giữ cố định tại T.
2.2 Điều khiển chuỗi xung với tải trở kháng và tải biến áp
Thiết bị điều khiển công suất xoay chiều kiểu EFL (BBC) sử dụng hai thyristor ghép song song ngược chiều, kết nối tiếp với tải Tín hiệu điều khiển cho hai thyristor này có thể là tín hiệu nhị phân hoặc điện áp thay đổi được.
Sơ đồ khối trong hình 3.2 bao gồm một khối tạo xung, có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp vào tương tự thành tín hiệu nhị phân với tần số phù hợp Tiếp theo, hai tầng điều chỉnh bề rộng xung được sử dụng để đảm bảo kích dẫn ổn định cho tải điện cảm Nếu điện áp điều khiển được lấy từ cảm biến nhiệt, mạch sẽ có chức năng kiểm soát nhiệt độ hiệu quả.
Hình 3.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển AC EFL
Hình 3.3: Quan hệ giữa điện áp điều khiển với công suất trên tải
Hình 3.3 minh họa ba ví dụ về cách bộ tạo xung chuyển đổi điện áp điều khiển Ucontr thành tín hiệu nhị phân, với tần số điều khiển được thay đổi là fS = 1/TS.
Thiết bị này có quan hệ giữa điện áp điều khiển với công suất P là tuyến tính (hình 3.4)
Hình 3.4: Quan hệ giữa điện áp điều khiển với công suất biến đổi
Hình 3.5 thể hiện mối quan hệ giữa phạm vi điều chỉnh và tần số điều khiển fS Tại tần số f = 25Hz, công suất ra đạt mức (P/Pmax) = 0,5 của công suất cực đại, trong khi công suất có thể điều chỉnh dao động từ 0,25 đến 0,75 Do đó, để mở rộng phạm vi điều chỉnh công suất, cần giảm tần số điều khiển.
Hình 3.5: Quan hệ giữa tần số điều khiển với công suất biến đổi
2.2.2 Điều khiển tải trở kháng
Hình 3.2 trình bày hai khối điều chỉnh bề rộng xung để kích dẫn thyristor một cách chắc chắn khi tải là điện cảm Tuy nhiên, khi tải là trở kháng với thành phần điện trở thuần, sẽ xuất hiện thành phần một chiều do góc lệch pha chồng lên điện áp xoay chiều, dẫn đến sai thời điểm kích và không còn đúng vị trí 0.
Để hạn chế hiện tượng không mong muốn trong khối tạo xung kích, cần kết hợp thêm mạch logic, cho phép điều chỉnh điện áp vào mạch sau một góc trễ α0 từ lúc bắt đầu xung kích đầu tiên Góc lệch này có thể thay đổi nhờ biến trở, tùy thuộc vào tính chất của từng loại tải trong khoảng từ 30° đến 120°.
Giới hạn này chỉ ảnh hưởng đến chuỗi xung đầu tiên, tại các chuỗi xung tiếp theo việc chuyển mạch xảy ra tại điểm 0 của điện áp nguồn
2.2.3 Điều khiển tải biến áp
Khi đóng mạch một biến áp, có thể xảy ra xung quá dòng, giá trị này chủ yếu phụ thuộc vào thời điểm kích và thông số máy biến áp Sự phát sinh xung dòng này đạt trị cực đại, vì vậy việc lắp thêm mạch bảo vệ là cần thiết để tăng cường độ an toàn cho linh kiện bán dẫn Sau khi đóng mạch, điện áp trên biến áp sẽ được tăng dần trong khoảng thời gian của chuỗi xung đầu tiên.
Hình 3.6: Điện áp và dòng điện tương ứng với bộ biến đổi công suất AC trong hình 3.7
Góc kích giảm dẫn, tại chuỗi xung thứ hai và các chuỗi xung tiếp theo góc kích có giá trị bằng 0
Hình 3.7: Bộ điều khiển công suất AC (W1) loại EFL tải biến áp
2.3 Mạch điều khiển công suất 3 pha đơn giản
Bộ điều khiển công suất xoay chiều SIVOLT-V của Siemens được cấu tạo chính dựa trên nguyên lý đã được trình bày trước đó về EFL Hình 3.8 minh họa cấu tạo sơ đồ khối của SIVOLT-V.
ĐIỀU KHIỂN GÓC PHA
3.1 Nguyên tắc cơ bản Điều chỉnh dòng xoay chiều 1 pha và 3 pha bằng phương pháp thay đổi góc pha được áp dụng để thay thế phương pháp dùng tiếp điểm cơ học VD: Điều khiển độ sáng đèn, các lĩnh vực thường áp dụng phương pháp này là:
- Thay đổi tốc độ động cơ quạt gió
- Thay đổi độ sáng đèn
- Thay thế các biến áp xoay
- Chỉnh tốc độ động cơ vạn năng
Quá trình chuyển mạch được kích hoạt tại mỗi bán kỳ của điện áp lưới, với góc kích có giá trị xác định trong từng bán kỳ Việc thay đổi góc kích sẽ ảnh hưởng đến dòng điện hiệu dụng và công suất trung bình trên tải, điều chỉnh từ 0% đến 100%.
Góc lệch pha của xung kích từ điểm 0 của điện áp lưới được gọi là góc kích α, trong khi điện áp rơi trên tải được ký hiệu là Uα để phân biệt với điện áp lưới U Đặc biệt, khi α = 0, tình huống này có những đặc điểm riêng biệt cần lưu ý.
Về nguyên tắc góc kích ở bán kỳ dương và bán kỳ âm đối xứng với nhau như trình bày ở hình 3.11
Hình 3.11: Định nghĩa góc kích α
Trong mạch chỉnh lưu, các thiết bị điều khiển công suất 1 pha và 3 pha không trải qua quá trình chuyển tiếp Cụ thể, khi hai thyristor ghép song song ngược chiều, dòng điện qua một thyristor sẽ trở về 0 Sau khi kích hoạt thyristor nghịch, dòng điện sẽ chảy trở lại sau một khoảng thời gian mất dòng rất ngắn, đặc biệt là ngắn nhất khi α = 0.
Để sử dụng thiết bị điều chỉnh trong hệ tự động điều chỉnh, thiết bị cần có khả năng thay đổi công suất trung bình trên tải Điều này giúp duy trì các đại lượng cần điều chỉnh như nhiệt độ, độ sáng hoặc tốc độ động cơ ở mức hằng số, luôn tương ứng với giá trị đặt trước.
3.2 So sánh giữa bộ điều khiển công suất AC với biến áp xoay Điện áp ra của mạch điều chỉnh và cả điện áp trên tải đều được quy đổi thành công suất trung bình, công suất này không chỉ phụ thuộc vào góc kích mà còn phụ thuộc theo đặc tính của tải Điểm khác biệt đầu tiên giữa phương pháp chỉnh bằng biến áp và mạch điện tử là: Để giảm công suất trên tải xuống còn 0,5Pmax thì theo công thức P = U 2 /R cho thấy phải giảm điện áp xuống còn 70%, hình 3.12 trình bày phương pháp điều chỉnh dùng biến áp
Hình 3.12a: Sơ đồ điều khiển công suất dùng biến áp
Hình 3.12b: Đồ thị u, i và p khi U = U mains
Hình 3.12c: Đồ thị u, i và p khi U = 0,707U mains
Hình 3.12b và c minh họa đường biểu diễn công suất khi tải điện trở có dạng sóng hình sin dương với tần số gấp đôi tần số lưới điện.
Trong phương pháp thay đổi góc pha, điện áp và dòng điện hiệu dụng không còn giữ dạng sóng hình sin, do đó không thể sử dụng đồng hồ vạn năng thông thường để đo Thay vào đó, cần sử dụng đồng hồ có lõi thép di động hoặc đồng hồ số Hình 3.13 minh họa các dạng sóng đo được bằng máy hiện sóng.
Hình 3.13a: Sơ đồ mạch điều khiển công suất dùng mạch 2 chiều W1C
Hình 3.13b: Đồ thị uα, iα và p khi α = 0 0
Hình 3.13c: Đồ thị uα, iα và p khi α = 90 0
Để giảm công suất của biến áp xuống còn 60%, cần giảm điện áp xuống 70,7% Trong khi đó, với phương pháp thay đổi góc pha, diện tích điện áp phải giảm còn 50% Công thức áp dụng cho biến áp xoay sẽ được sử dụng trong trường hợp này.
Để đạt được điện áp còn 50%, công thức P = 0,707U cho thấy rằng 0,707Imax = 0,5Pmax Điều này yêu cầu góc kích α phải là 90 độ Khác với phương pháp biến áp dòng điện, trong khoảng thời gian thyristor dẫn điện không giảm, do đó diện tích công suất ra sẽ bằng 50% diện tích Pmax.
3.3 Mạch điều khiển công suất AC tải điện trở
Trong thực tế phần lớn ký số thứ ba của một trị số thường chỉ có ý nghĩa lý thuyết
VD: Giá trị tính toán của điện áp lưới là 220V trong khi giá trị đo được là 223V
Sự sai lệch giữa lý thuyết với thực tế là không thể tránh được vì do dung sai của linh kiện cũng như sai số khi đo
Trong thực hành, các đường đặc tính thường được sử dụng mặc dù độ chính xác không cao nhưng vẫn được chấp nhận Hình 3.14 minh họa các đường đặc tính điều khiển quan trọng.
Hình 3.14: Đặc tính mạch điều khiển công suất AC tải điện trở Đường đặc tính (a) là tỉ lệ phần trăm giữa I α /I 0 = f(α) hoặc U α /U 0 = f(α), đường đặc tính (b) biểu diển quan hệ P α /P 0 = f(α)
Trong hầu hết các trường hợp, điện áp lưới thường có giá trị U = 220V Đường biểu diễn (c) thể hiện mối quan hệ giữa U và α, với U 0 = 220V Phương pháp đồ thị mang lại ưu điểm là giúp xác định kết quả một cách dễ dàng và nhanh chóng.
3.4 Điều khiển công suất AC tải điện cảm
Trong trường hợp tải thuần điện cảm với hằng số thời gian lớn, tỉ lệ giữa năng lượng nhận và phát ra của điện cảm sẽ khác biệt so với tải thuần trở.
Trong điều kiện lý tưởng, một thyristor sẽ dẫn điện liên tục cho đến khi dòng điện IT giảm xuống 0A Điều này cho phép mạch điều khiển công suất xoay chiều điều chỉnh góc kích α trên tải điện cảm từ giá trị lớn hơn 90 độ Để hiểu rõ hơn, cần xem xét phạm vi kích từ 90 đến 180 độ Hình 3.15 và 3.16 minh họa hai trường hợp đặc biệt: tải thuần trở và tải thuần cảm Khi α = 0 độ (tải thuần trở) và α = 90 độ (tải thuần cảm), toàn bộ điện áp lưới được áp dụng lên tải Ở tải thuần trở, dòng và điện áp đồng pha, trong khi ở tải thuần cảm, dòng chậm hơn 90 độ do hiện tượng tích trữ năng lượng của điện cảm.
Khi α = 120°, dòng điện và điện áp qua tải điện cảm không còn hình sin, vì dòng qua điện cảm biến thiên chậm Tại α = 180°, dòng điện đạt cực đại và trở về 0 trong khoảng từ 180° đến 270° Do dòng điện có giá trị dương, thyristor vẫn duy trì trạng thái dẫn điện mặc dù điện áp âm Góc dẫn δ trong trường hợp tải điện cảm gấp đôi so với tải thuần trở Đồ thị p = Uα.Iα cho thấy diện tích dương (nhận năng lượng) và diện tích âm (phóng năng lượng) có giá trị bằng nhau Hình 3.17 minh họa điện áp và dòng điện từ hai thyristor khi α = 90°.
Hình 3.15: a) Mạch W1 tải điện trở b) Đặc tính dòng và áp với α = 0 0 c)Đặc tính dòng và áp với α = 120 0 d) Đặc tính công suất với α = 120 0
Hình 3.16: a) Mạch W1 tải điện trở b) Đặc tính dòng và áp với α = 0 0 c)Đặc tính dòng và áp với α = 120 0 d) Đặc tính công suất với α = 120 0
Hình 3.17: Đồ thị dòng điện và điện áp a) Tạo ra bởi V1 với α = 90 0 b) Tạo ra bởi V1 với α = 90 0 c) Kết quả với u a = u a1 + u a2 và i a = i a1 +i a2
CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN PHẢN KHÁNG
Khác với công tắc xoay chiều điện tử và phương pháp điều khiển chuỗi xung, phương pháp thay đổi góc pha tạo ra dòng điện không sin mặc dù điện áp lưới vẫn hình sin Kết quả là công suất phản kháng tồn tại ngay cả khi tải là thuần trở, hiện tượng này cũng xảy ra với các bộ biến đổi công suất có điều khiển.
4.2 Xác định công suất phản kháng trong mạch W1 tải thuần trở
Công suất phản kháng có thể được xác định trong một mạch thí nghiệm dùng bộ thực tập chỉnh lưu-biến đổi SR6
Hình 3.27: Khối công suất của mạch W1 với các đồng hồ đo hiệu dụng
Điện áp và dòng điện trên một điện trở tỉ lệ và đồng pha với nhau, điều này cũng đúng cho tải thuần trở trong mạch điều khiển công suất AC Hình 3.28 minh họa đường đặc tính khi α = 90 độ Định luật Ohm được áp dụng cho từng giá trị tức thời của điện áp và dòng điện không hình sin.
Công suất tác dụng P tính từ các giá trị hiệu dụng đo được U, I trong phạm vi kích 0 ≤ α ≤ 180 0
Hình 3.28: Dạng sóng mạch thí nghiệm W1
Tại ngõ vào của mạch điều khiển công suất AC là điện áp lưới có dạng hình sin, nhưng dòng xoay chiều trong mạch lại không phải hình sin (I = I)
Kết quả đo tại ngõ vào của mạch cho thấy rằng P < S = U.Iα Điều này chỉ ra rằng công suất biểu kiến lớn hơn công suất tác dụng, dẫn đến sự xuất hiện của thành phần công suất phản kháng theo công thức đã nêu.
Khi góc kích α lớn hơn 0 độ, dòng điện không còn duy trì hình sin, khiến việc tính toán giá trị hiệu dụng từ giá trị đỉnh trở nên phức tạp Để phân tích dòng điện tuần hoàn này, người ta thường áp dụng định lý Fourier, phân tách nó thành sóng cơ bản và các thành phần sóng hài Hình 3.29 minh họa kết quả phân tích tại góc kích α = 60 độ, chỉ tập trung vào ba thành phần hình sin đầu tiên trong chuỗi Fourier (I1, I2 và I3) Khi cộng ba thành phần này lại, ta có thể tạo ra một dòng điện gần giống với thực tế.
Hình 3.29: Phân tích gần đúng thành 3 thành phần hình sin
Thành phần dòng điện I1 bao gồm sóng cơ bản có tần số tương ứng với tần số dòng tải Phân tích toán học cho thấy, biên độ của sóng hài giảm dần khi bậc sóng hài tăng lên, và trong trường hợp này chỉ có các sóng hài bậc lẻ Cụ thể, với tần số f1 = 50Hz, ta có f3 = 150Hz và f5 = 250Hz.
Dòng tải không hình sin trên dây dẫn gây ra nhiễu sóng hài bậc cao trong lưới điện, hiện tượng này được gọi là “nhiễu lưới”.
4.4 Hệ số công suất tổng
Sóng cơ bản I1 lệch pha so với điện áp lưới U một góc ϕ1, với hệ số công suất là cosϕ1 Các sóng hài bậc cao chỉ tạo ra công suất phản kháng, trong khi sóng cơ bản còn có thành phần công suất tác dụng phụ thuộc vào góc kích.
Khi bỏ qua tiêu hao của mạch, công suất tác dụng ở ngõ vào sẽ tương đương với công suất ra Uα Iα Do khó xác định giá trị đỉnh i1 và giá trị hiệu dụng I1, trong kỹ thuật chỉnh lưu thường sử dụng khái niệm hệ số công suất tổng λ = P/S = Uα Iα/ U I = U I1 cos ϕ 1 / U I = Uα/U Từ đó, ta suy ra P = λ S và Uα = λ U.
ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 3 PHA
Cũng giống như trường hợp công tắc điện tử 3 pha, bộ điều khiển công suất
Hệ thống 3 pha được hình thành bằng cách kết hợp ba mạch điều khiển 1 pha, được ký hiệu là W3 Để điều chỉnh công suất trung bình trên tải, các mạch điều khiển công suất 3 pha sử dụng phương pháp thay đổi góc pha Những mạch này thường được áp dụng trong các thiết bị như điều chỉnh nhiệt độ và độ sáng.
Một ứng dụng quan trọng của mạch điều khiển 3 pha là trong các hệ thống điện giải, nơi yêu cầu thay đổi dòng điện một chiều với giá trị lớn Để thực hiện điều này, cần sử dụng biến áp có dòng thứ cấp cao kết hợp với mạch chỉnh lưu, trong khi dòng sơ cấp được điều chỉnh bởi mạch điều khiển công suất 3 pha.
Giải pháp điều khiển 3 pha với biến áp và chỉnh lưu mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội so với phương pháp chỉnh lưu sử dụng thyristor đắt tiền Hệ thống này được trình bày trong hình 3.30 Mạch điều khiển công suất 3 pha còn được ứng dụng trong các hệ truyền động điện, với sơ đồ khối của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ 3 pha rotor lồng sóc được thể hiện trong hình 3.31.
Hình 3.30: Điều khiển công suất 3 pha với tải biến áp
Hình 3.31: Điều khiển công suất 3 pha với tải động cơ
5.2 Khảo sát điện áp Điện áp ra có thể xem là giá trị hiệu dụng phụ thuộc vào góc kích α, đặc tính tải và cấu trúc của mạch điều khiển công suất 3 pha Tuy nhiên, dòng chảy trên dây dẫn có thể lớn hơn, không chỉ phương pháp tính toán giá trị hiệu dụng của dòng và điện áp mà cả đồ thị điện áp ra cũng rất phức tạp
Hình 3.33 và 3.35 minh họa điện áp ra của mạch điều khiển công suất 3 pha với tải điện trở đấu tam giác (hình 3.32) và đấu sao (hình 3.34) tại góc kích α = 45 độ Hình 3.32 thể hiện mạch W3 được thiết kế dưới dạng mạch B với tải điện trở đấu tam giác, trong khi hình 3.33 biểu diễn dạng điện áp UUV tương ứng của hệ thống 3 pha tại góc kích α.
Hình 3.32: Điều khiển công suất 3 pha tải tam giác
Trong khoảng góc kích từ ϕ1 đến ϕ2, điện áp trên tải U UV tương đương với điện áp dây U L1L2 Trong thời gian này, dòng điện chảy qua V1 và V4 Tại thời điểm ϕ2, dòng điện qua V4 bằng 0 và V6 bắt đầu dẫn, dòng điện chảy qua tải R VW.
R WU vì góc kích bằng 45 0 nên V3 không được kích cho đến khi góc kích bằng ϕ3, điện áp là UL1L3 là điện áp điều khiển và :
Khi V3 được kích tại ϕ3, điện áp U UV tương đương với điện áp dây U L1L2 Đến ϕ4, V1 tắt và U UV giảm xuống bằng U L3L2 /2 Tiếp theo, tại ϕ5, V2 được kích, và trong khoảng thời gian từ ϕ5 đến ϕ6, điện áp U UV lại trở về bằng U L1L2 Quá trình này tiếp tục diễn ra với những kết quả tương ứng.
Một chu kỳ mới bắt đầu từ thời điểm ϕ9 = ϕ1, từ hình 3.32 và 3.33 suy ra trường hợp tải thuần trở đấu sao không có dây trung tính
Sơ đồ mạch điều khiển W3 cho tải thuần trở đấu sao chỉ hoạt động khi có ít nhất 2 bộ W1 dẫn điện, do đó dòng điện chỉ qua tải trong trường hợp này.
Hình 3.33: Dạng sóng điện áp trên tải
Hình 3.34 minh họa điều khiển công suất cho tải thuần trở đấu sao Đồ thị điện áp trong hình 3.35 cho thấy giá trị điện áp U tại góc kích 45 độ, phản ánh các điện áp pha U.
UN, U WN , U VN và U WN
Do có thời gian trì hoãn khi kích nên trong phạm vi góc kích ϕ0-ϕ1, ϕ6-ϕ7 và ϕ12-ϕ13 điện áp trên tải bằng 0V
Trong các khoảng thời gian ϕ1-ϕ2, ϕ3-ϕ4, ϕ5-ϕ6, ϕ7-ϕ8, ϕ9-ϕ10 và ϕ11-ϕ12, toàn bộ điện áp pha UL1N được phân bổ trên điện trở tải với UU = UL1N Ngược lại, trong các khoảng thời gian ϕ2-ϕ3, ϕ4-ϕ5, ϕ8-ϕ9 và ϕ10-ϕ11, chỉ có 50% điện áp dây rơi trên điện trở tải do chỉ có 2 bộ W1 dẫn.
Hình 3.35: Dạng sóng điện áp trên tải
5.3 Đường đặc tính điều khiển Đối với dạng sơ đồ A, đặc tính điều khiển của mạch điều khiển công suất
AC trong hình 3.19 cũng áp dụng được cho mạch điều khiển công suất 3 pha
Hình 3.36 minh họa đặc tính của mạch điều khiển công suất 3 pha theo sơ đồ B Ở đây, giới hạn phạm vi điều khiển được xác định tại α = 150°, với tải bất kỳ Khi α ≥ 150°, không có dòng điện chảy qua do tại thời điểm kích của mỗi van, các van khác không dẫn.
Hình 3.36: Đặc tính điều khiển W3 sơ đồ B tải thuần trở và thuần cảm
Khi sử dụng tải điện cảm trong mạch điều khiển công suất AC, việc kích hoạt chỉ có hiệu lực khi góc α đạt từ 90 độ trở lên Hiện tượng này dẫn đến việc năng lượng từ trường được tích trữ trong tải, bất chấp việc điện áp trên anode và cathode có đảo chiều, van vẫn sẽ dẫn điện cho đến khi dòng điện thuận qua nó bằng 0.
ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT MỘT CHIỀU
Mạch điều khiển công suất DC, trong lĩnh vực điện tử công suất, được hiểu là mạch biến đổi DC, có chức năng chuyển đổi điện áp không đổi từ ngõ vào U1 của nguồn DC thành điện áp thay đổi ở ngõ ra U2 < U1 thông qua van bán dẫn Điều này cho phép bộ điều khiển công suất DC biến đổi năng lượng từ nguồn DC sang năng lượng DC với điện áp khác, đồng thời tính đến sự tiêu hao năng lượng.
6.2 Điều khiển công suất DC bằng transistor
- Để thực hiện phương pháp này chỉ có transistor là có thể được dùng làm phần tử cuối tác động liên tục trong mạch điều khiển công suất DC
Việc kết hợp mạch điều khiển DC bằng transistor với biến áp và mạch chỉnh lưu đã mang lại kết quả quan trọng trong việc tạo ra bộ nguồn cấp điện Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào các mạch điều khiển công suất DC có chức năng đóng/ngắt.
6.2.2 Điều khiển công suất DC đóng/ngắt
Transistor chỉ hoạt động hiệu quả với điện áp và dòng điện thấp, vì vậy chúng thường được sử dụng trong các bộ điều khiển công suất với tải tối đa khoảng 10 KW.
- Hình 3.38 trình bày sơ đồ khối một mạch điều khiển công suất DC dùng transistor như trên
Hình 3.37: Mạch điều khiển công suất DC dùng TZT
Hình 3.38: Sơ đồ khối mạch điều khiển công suất DC đóng/ngắt dùng TZT
Diode thoát dòng V20 là thiết bị quan trọng giúp bảo vệ transistor khỏi điện áp cảm ứng của tải khi tắt Khi transistor ngừng hoạt động, năng lượng từ trường tích trữ trong tải có thể vẫn cung cấp dòng cho tải trong một khoảng thời gian nhất định.
Hình 3.39: Dạng điện áp và dòng điên trong mạch điều khiển DC đóng/ngắt dùng TZT
Hiện tượng dòng điện vượt lố xảy ra khi transistor bắt đầu dẫn, do dòng qua V20 giảm nhanh và cộng thêm với dòng tải Để giảm thiểu sự gia tăng dòng tải khi transistor chuyển sang dẫn, cần sử dụng diode tốc độ cao với thời gian hồi phục nghịch trr nhỏ nhất Thêm vào đó, một cuộn cảm lõi ferrite thường được lắp vào cực phát của transistor công suất để giảm tốc độ biến thiên dòng điện.
6.3 Điều khiển công suất DC dùng thyristor
Khác với mạch sử dụng transistor có khả năng điều khiển thực sự, thyristor chỉ có thể đóng tải bằng điện áp một chiều Bộ điều khiển DC sử dụng thyristor hoạt động tương tự như các công tắc DC, với điện áp ra U2 và dòng tải.
Iload được trình bày ở hình 3.41
Hình 3.40: Điều khiển công suất DC dùng Thyristor
Hình 3.41: Dạng điện áp và dòng điện(Điều khiển bề rộng xung)
Khi một công tắc được đóng/ngắt liên tục thì giá trị trung bình của điện áp ra sẽ bị giảm
Trong phương pháp thay đổi bề rộng xung, chu kỳ T được giữ không đổi trong khi thời gian đóng tP thay đổi (hình 3.42)
Mặt khác, trong phương pháp điều khiển chuỗi xung thì thời gian đóng được giữ cố định nhưng chu kỳ T thì thay đổi (hình 3.43)
Nguyên tắc giảm điện áp được mô tả bằng các điện áp U1 và U2 ở hình 3.42 và 3.43 trong đó U1 là điện áp vào của mạch điều khiển
Biên độ của điện áp ra là hằng số và chỉ phụ thuộc vào biên độ của điện áp vào Giá trị trung bình của điện áp ra U2 được xác định trực tiếp bởi tỷ số giữa thời gian đóng và thời gian ngắt.
Hình 3.42: Nguyên tắc điều khiển bề rộng xung
Hình 3.43: Nguyên tắc điều khiển chuỗi xung
Các mạch điều khiển không có dòng điện chảy từ nguồn trong thời gian ngắt, giúp giảm tổn hao và nâng cao hiệu suất Những mạch này được gọi là bộ biến đổi xung hoặc bộ băm Đối với tải điện cảm có hằng số thời gian lớn, cần bổ sung diode thoát dòng để đảm bảo hoạt động ổn định.
Hình 3.44: Sơ đồ khối mạch điều khiển công suất DC dùng Thyristor
Hình 3.45: Dạng sóng điện áp và dòng điện
Mạch điều khiển công suất DC thường được dùng để cấp nguồn cho động cơ điện ví dụ như các xe chạy bằng điện
Chu kỳ đóng/ngắt của mạch điều khiển DC phải ngắn hơn hằng số thời gian của tải, không chỉ đối với tải điện cảm mà còn với các loại tải tích cực khác Do đó, việc sử dụng diode thoát dòng cho tải điện cảm là cần thiết, vì dòng điện tải vẫn tồn tại ngay cả khi van không dẫn điện.
6.4 Các phương pháp điều khiển công suất DC
Như đã nói ở phần trên, giá trị trung bình của điện áp ra DC là một hàm theo tỉ số xung
Trong phần này sẽ khảo sát chi tiết hơn về các phương pháp điều khiển áp dụng trong thực tế
6.4.1 Thay đổi bề rộng xung
Phương pháp này điều chỉnh bề rộng xung mà không làm thay đổi chu kỳ, dẫn đến tần số xung cũng được giữ nguyên Do đó, ta có mối quan hệ giữa các giá trị min và max như sau: min max min 2 max 2.
Trong mạch, tPmax được xác định là T, trong khi tPmin lại phụ thuộc vào đặc tính động của van bán dẫn Khi xem U2max gần bằng U1, ta có thể nhận được một mối quan hệ mới giữa các tham số.
từ đó suy ra tần số đóng ngắt
Ph-ơng pháp này thích hợp với các ứng dụng có khả năng tạo ra nhiễu khi tần số thay đổi
Hình 3.46a: Thay đổi bề rộng xung
Trong phương pháp này, bề rộng xung tP được giữ cố định, trong khi thời gian không có xung thay đổi, dẫn đến sự thay đổi của chu kỳ và tần số.
Phương pháp thay đổi tần số còn gọi là điều khiển chuỗi xung không cần kỹ thuật cao
Với phương trình t P f 1 max và xt P
2 min suy ra dải tần số hoạt động
Ngõ ra được điều khiển hoàn toàn với tần số tối đa fmax khi tP gần bằng T Tần số tối thiểu fmin được xác định dựa trên điện áp ra tối thiểu cho phép U2min và bề rộng xung tP với điện áp vào U1.
Việc sử dụng tần số làm việc thấp đòi hỏi phải bổ sung nhiều phần tử lọc, chủ yếu là các cuộn cảm có chi phí cao, nhằm đảm bảo sự liên tục của dòng điện.
Hình 3.46b: Phương pháp thay đổi tần số
Phương pháp này được sử dụng trong các hệ thống điều khiển dòng tải, với thời gian đóng và ngắt được điều khiển bởi một khâu vòng kín khi dòng điện thực tế vượt quá giới hạn cho phép Bài viết sẽ giải thích nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển công suất DC sử dụng transistor theo phương pháp này.
Hình 3.47: Phương pháp điều khiển kết hợp
Điều khiển công suất dùng Thyristor với vòng hồi tiếp
Ngoài các mạch điều khiển DC sử dụng GTO thyristor, có thể sử dụng thêm một thiết bị để tắt bằng thyristor thông thường được kích dẫn từ cathode Trong trường hợp công tắc bán dẫn, năng lượng tắt được tạo ra từ một điện dung kết hợp Tuy nhiên, do yêu cầu về thời gian tắt ngắn, mạch điện cần được mở rộng thêm một nhánh gọi là khâu hồi tiếp vòng.
Hình 3.48 trình bày sơ đồ mạch điều khiển công suất DC với vòng hồi tiếp hoạt động ở tần số cố định là 100Hz
Hình 3.48: Sơ đồ mạch điều khiển DC
Hình 3.49 minh họa dạng sóng điện áp và dòng điện tương ứng Để bắt đầu, tụ giao hoán C cần được nạp đầy đủ bằng cách cung cấp xung kích vào V2 tại thời điểm t0, đảm bảo rằng Uc = Ud ≈ U1.
Hình 3.49: Quá trình đóng mạch Đối với quá trình ngắt mạch, cực tính này phải được đảo chiều sao cho UC
= -Ud ≈ U1 Quá trình này tự động xảy ra ngay khi thyristor chính được kích
Tải được cấp điện bằng cách kích V1 tại thời điểm t1 và tụ được nạp theo chiều 1 ngược lại thông qua L1 và V10 với tần số
Trong quá trình hoạt động, dòng tải xuất hiện đồng thời với dòng nạp LC ngược chiều qua V1 trong một khoảng thời gian ngắn Chiều dao động ngược lại của dòng nạp này được bộ ngăn bởi diode V10 Quá trình tắt bắt đầu khi có một xung kích được đưa vào cực cổng của V2.
Khi kích V2 tại thời điểm t2, tụ C1 được nối song song với V1, dẫn đến điện áp Uc cộng với điện áp nguồn, làm tắt V1 và chuyển dòng điện sang V2 Lúc này, dòng tải chảy qua V2 và C, nạp C theo chiều ngược lại, đồng thời dòng điện chuyển mạch đến diode V20 V1 không thể được kích lại cho đến khi tụ C được nạp theo chiều ngược lại hoặc dòng tải ngăn chặn qua diode thoát dòng.
BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT CỐ ĐỊNH
KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Nguồn cấp điện một chiều thường được chỉnh lưu từ dòng điện xoay chiều một pha hoặc ba pha, do sự giảm thiểu sử dụng máy phát điện một chiều Trong thiết bị điện tử công suất, thường xuất hiện các giá trị dòng thuận lớn và điện áp nghịch cao Vì vậy, diode silicon là thành phần chính được sử dụng làm van chỉnh lưu trong các mạch điện.
Khác với điện áp một chiều từ pin hoặc nguồn ổn áp, điện áp ra của mạch chỉnh lưu không cố định theo thời gian mà có dạng xung một chiều, còn gọi là điện áp hỗn hợp Điện áp này có thể được đo bằng thiết bị đo từ điện (trị trung bình) hoặc thiết bị đo điện từ (hiệu dụng) Khi sử dụng thiết bị đo có chỉnh lưu (VOM), hệ số hình dáng của điện áp đo cần phải được tính toán, vì thang đo của thiết bị này được khắc độ theo trị hiệu dụng, với hệ số hình dáng được chọn là F = 1,11 (IFAV ≠ IFRMS).
Với điện áp và dòng DC có dạng xung, sự sai biệt giữa trị trung bình với trị hiệu dụng là kết quả của sóng hài
Giả sử P = 0W đối với mạch chỉnh lưu lý tưởng do đó
Kết quả là P(AC) = P(DC) Điều này cũng được chứng minh trực tiếp bằng cách dùng thiết bị đo kiểu điện động
Hình 4.1: Sơ đồ mạch chỉnh lưu lý tưởng với đồng hồ đo công suất P = P m
Từ hình 4.1, công thức tính công suất chỉđúng trong biểu thức sau :
Pm = Um x Im > Ud x Id
Công suất một chiều Pm vượt trội hơn công suất một chiều Pd khi xem xét đến công suất dư Pex, được tạo ra bởi các thành phần gợn sóng hoặc sóng hài.
P = Pm = Pd + Pex = Ud x Id + U 2 gs x
Trong trường hợp lý tưởng thì Ugs = 0V thì P = Ud x Id
1.3 Xác định điện áp gợn Điện áp gợn sóng được định nghĩa là giá trị hiệu dụng của các sóng hài
MẠCH CHỈNH LƯU BÁN KỲ (M1)
Trong lĩnh vực điện tử công suất, mạch này không quan trọng lắm do mạch có nhiều đặc điểm không phù hợp với các mạch biến đổi công suất
Trong hình 4.2, van V10 chỉ bắt đầu dẫn khi điện áp anode dương hơn cathode, điều này xảy ra trong suốt bán kỳ dương của điện áp xoay chiều, tạo ra dòng một chiều chảy qua tải Rload Giả sử rF