Giáo trình Điện tử công nghiệp

Tuy nhiên viác nghiên cāu không chã dÿng l¿i á phÅn công suÃt mà còn đ°ÿc āng dāng trong các l*nh vực điÃu khiÅn khác KÅ tÿ khi hiáu āng nÃn đián cÿa miÃn tiÁp xúc PN đ°ÿc công bá bái Sh

KHÁI NIàM VÂ ĐIàN TĀ CÔNG SUÂT

QUÁ TRÌNH PHÁT TRIÄN

Điện tá công suất đóng vai trò quan trọng trong các môn thuộc và kỹ thuật năng lượng của ngành kỹ thuật điện Tuy nhiên, việc nghiên cứu không chỉ dừng lại ở lĩnh vực công suất mà còn mở rộng sang các lĩnh vực điều khiển khác.

Kể từ khi Shockley công bố vào năm 1949, khả năng của chất bán dẫn ngày càng được ứng dụng sâu rộng trong các lĩnh vực chuyên môn của ngành kỹ thuật điện Từ đó, ngành điện tử công suất đã phát triển mạnh mẽ, chuyên nghiên cứu và khai thác khả năng của chất bán dẫn trong lĩnh vực năng lượng.

Với sự thành công trong việc phát triển dòng điện ba pha vào năm 1891, dòng điện một chiều đã dần thay thế dòng điện xoay chiều trong sản xuất điện năng Điều này đã cung cấp cho các máy phát điện cần thiết phải biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều Yêu cầu này đã được thực hiện bằng máy phát điện một chiều Hiện nay, phương pháp này không còn áp dụng trong công nghệ hàn điện.

Thay thế cho hệ thống điều khiển tháng máy, việc ứng dụng thyristor đã mang lại sự cải tiến đáng kể trong công nghệ điều khiển điện Các phương pháp biến đổi dòng điện và yêu cầu đóng/ngắt, điều khiển dòng điện mạch chiếu và xoay chiều đã được phát triển, giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng Kỹ thuật đóng/ngắt trong mạch điện mát chiếu và xoay chiều, cùng với các hệ thống chuyển đổi điện áp, cho phép điều chỉnh nguồn năng lượng đầu vào sang các giá trị khác nhau theo yêu cầu Ưu điểm của các mạch biến đổi điện so với các phương pháp khác được nêu rõ trong các nghiên cứu hiện tại.

- Hiáu suÃt làm viác cao

- Kớch th°ớc nhò gọn

- Có tính kinh tÁ cao

- VÁn hành và bÁo trì dÅ dàng

NGUYÊN TÂC BIÀN ĐàI T)NH

- Làm viỏc ỏn đồnh với cỏc biÁn đỏng cÿa điỏn ỏp nguòn cung cÃp

- Khụng cú phÅn tā chuyÅn đỏng trong điÃu kiỏn tòa nhiỏt tự nhiờn, cú thÅ làm mát bằng qu¿t gió đÅ kéo dài tuái thọ

- Đỏp āng đ°ÿc cỏc giỏ trồ điỏn ỏp và dũng điỏn theo yờu cÅu bằng cỏch rỏp song song và nái tiÁp các thyristor l¿i với nhau

- Chồu đ°ÿc chÃn đỏng cao, thớch hÿp cho cỏc thiÁt bồ l°u đỏng

- Ph¿m vi nhiát đá làm viác ráng, thông sá ít thay đái theo nhiát đá

- Đặc tính điÃu khiÅn có nhiÃu °u điÅm

Trong lĩnh vực điện tái cấu trúc, biểu diễn các khối chức năng thường sử dụng các ký hiệu đặc trưng Các ký hiệu này giúp mô tả nguồn điện truyền tải (có thể thấy ở sơ đồ 1) và các thành phần tái cấu trúc (có thể thấy ở sơ đồ 2).

Nhiỏm vā cÿa m¿ch chónh l°u nhằm biÁn đỏi năng l°ÿng nguòn xoay chiÃu mát pha hoặc ba pha sang d¿ng năng l°ÿng mát chiÃu.

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ chỉnh lưu

Nhiỏm vā m¿ch nghồch l°u nhằm biÁn đỏi năng l°ÿng dũng mỏt chiÃu

U 1 , f 1 U 2 , f 2 =0Hz thành năng l°ÿng xoay chiÃu mát pha hoặc ba pha.

Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ nghịch lưu

Các m¿ch biÁn đái nhằm thay đái:

- Dũng xoay chiÃu cú điỏn ỏp, tÅn sỏ và sỏ pha xỏc đồnh sang cỏc giỏ trồ khỏc

Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ biến đổi

- Dũng mỏt chiÃu cú điỏn ỏp xỏc đồnh sang dũng mỏt chiÃu cú giỏ trồ điỏn áp khác (converter DC to DC)

Biến đổi dòng chảy thường là sự kết hợp giữa dòng chảy chính lưu và dòng chảy nghịch lưu Do đó, có hai loại biến đổi: biến đổi trực tiếp và biến đổi có khâu trung gian.

Tính chất của tái có ánh sáng rất quan trọng đến khả năng làm việc của các mạch đổi điện Người ta chia tái thành các loại như sau:

Tái thuần trỏ chó bao gồm các điển trỏ thuần, đây là loại tái đần gián nhấ, dòng điến qua tái và điến áp rời trên tái cùng pha với nhau Loại này đặc biệt đang chú ý trong lĩnh vực chiếu sáng và trong các lò nung.

TÁi cÁm kháng có đặc tính l°u trữ năng l°ÿng, tính chÃt này đ°ÿc thÅ hián

U 1, f 1 và U 2, f 2 là các yếu tố quan trọng trong việc xác định sự phân bố tần số của sóng có trong điện áp mạch chiếu, ảnh hưởng đến mạch điện và xung điện áp cao Sự xuất hiện của các yếu tố này hiện đang được nghiên cứu trong thời điểm tái cấu trúc.

Các ứng dụng quan trọng của loại tài này bao gồm: các cuốn kích từ trong máy điện (tạo ra từ trường), trong các thiết bị nung cảm ứng và các lũ tụi cao tần.

Trong cỏc tr°òng hÿp này điỏn cÁm th°òng đ°ÿc mÃc song song với điỏn dung đÅ t¿o thành mát khung cáng h°áng song song

Các loại tái này thường kèm theo một nguồn điện áp như các van chỉnh lưu ở chế độ phân cực nghịch Ví dụ: Quá trình nạp điện bình ắc quy và sạc phản điện của đáng cấ điện.

Hình 1.4: Sơ đồ tương đương của một tải trở kháng với sức phản điện

Các van đián là những thành phần quan trọng trong hệ thống điện, giúp điều chỉnh dòng điện chạy qua theo hướng nhất định Trong lĩnh vực điện tử công suất, các thiết bị chính bao gồm diode bán dẫn và thyristor, bên cạnh đó còn có các transistor công suất.

2.3.1 Van không điÁu khiÃn đ°ợc (diode)

Diode là linh kiện điện tử cho phép dòng điện chạy qua khi điện áp anode lớn hơn điện áp cathode Điện áp đầu ra của diode phụ thuộc vào điện áp đầu vào của nó.

2.3.2 Van điÁu khiÃn đ°ợc (thyristor)

Một chặn lưu có điều khiển lý tầng vẫn không dẫn điện mặc dù giữa anode và cathode đã được phân cực thuận (anode dương hơn cathode) Điều kiện để các van này dẫn điện là đồng thời với áp điện phân cực thuận phải có thêm xung kích tĩnh cực càng (U AK dương và U GK dương) Điện áp ngõ ra không chỉ phụ thuộc vào điện áp vào mà còn phụ thuộc theo thời điểm xuất hiện xung.

CĂ BÀN VÂ ĐIÂU KHIÄN MắCH Hà

3 CĂ BÀN VÀĐIÀU KHIÂN MắCH Hà

Vào thời kỳ trước đây, ngành công nghiệp đã chú trọng vào công nghệ mà sự phát triển hiện nay chủ yếu là hướng tới khả năng tự động hóa.

Tự động hóa là quá trình thực hiện tự động theo các chương trình đã được thiết lập trước mà không cần sự can thiệp của con người Ưu điểm của kỹ thuật tự động hóa bao gồm độ an toàn cao, tính chính xác và hiệu quả kinh tế vượt trội Kỹ thuật tự động hóa được chia thành hai chuyên ngành chính: kỹ thuật điều khiển và kỹ thuật điều chỉnh Tuy nhiên, trong thực tế, thường gặp trường hợp kết hợp cả hai lĩnh vực này, chẳng hạn như phương pháp điều chỉnh tác động tự động bằng cách sử dụng điều khiển lưu có điều kiện.

Tÿ sự mô tả các van chặn lưu lượng áp phân có dạng khái niệm "van có điều khiển" Các thyristor được điều khiển bằng cách dịch chuyển pha của xung kích dẫn đến điện áp ra cũng như công suất, từ đó tạo ra sự thay đổi theo yêu cầu.

Thuật ngữ "điều kiện" đề cập đến quá trình mà trong đó ánh sáng ảnh hưởng đến các đối lượng trong một khoảng thời gian nhất định Ánh sáng có thể làm thay đổi các yếu tố này, tạo ra những biến đổi đáng kể trong môi trường.

Khi các đới lượng ra không đặc hồi tiếp trở lại ngừ, người ta gọi là quá trình hỏ, và hướng tác động của quá trình này là cố định, được biểu diễn bằng các mũi tên như trong hình 1.5.

Trong kỹ thuật điều khiển, các khái niệm và tên gọi theo tiêu chuẩn DIN 19226 được định nghĩa rõ ràng Đại lượng ra X đại diện cho một đại lượng vật lý của hệ thống, và nó được điều khiển theo một quy luật nhất định Đối tượng điều khiển là mạch trong quá trình điều khiển, nơi xuất phát đại lượng ra Trong hệ thống truyền động điều chỉnh bằng thyristor, các thông số như điện áp và thyristor đóng vai trò quan trọng, trong đó tác động và mômen quay là các đại lượng ra chính.

Phần tử chấp hành là thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển, có khả năng tác động trực tiếp đến năng lượng hoặc các khái niệm cần điều khiển Có hai loại phần tử chấp hành: loại tác động gián tiếp như rơ le và công tắc, và loại tác động liên tục như công tắc, van tiết lưu, transistor và mạch nắn dòng có điện áp ra thay đổi.

Tín hiệu điều khiển y là tín hiáu tác đáng vào phÅn tā chÃp hành, đây chính là tín hiáu ra cÿa phÅn tā điÃu khiÅn

Phần tử điều khiển tạo ra tín hiệu điều khiển và cấu trúc của phần tử điều khiển phụ thuộc vào đại lượng đầu vào Đại lượng đầu vào được đo từ bên ngoài vào hệ thống, tương tác với quá trình điều khiển, và giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra tồn tại một mối quan hệ xác định.

Nhiễu z cú nguòn gỏc tÿ nhiÃu nguyờn nhõn khỏc nhau, cú thÅ t¿o ra những tác đáng ngoài ý muán đÁn kÁt quÁ điÃu khiÅn

Hình 1.5: Định nghĩa hệ điều khiển hở

Hình 1.6: Sơ đồ khối một hệ điều khiển hở

3.2 Các ph°¢ng pháp điÁu khiÃn

Dựa trờn nguyờn lý làm viỏc ng°òi ta chia thành hai ph°Âng phỏp điÃu khiÅn

Hà ĐIÂU KHIÄN Đ¿i l°ÿng vào Đ¿i l°ÿng ra

X out1 Đái t°ÿng điÃu khiÅn

Dựa trên trình tự thực hiện, điều khiển được chia thành năm loại: 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 đầu vào và đầu ra luôn tồn tại một quan hệ ổn định, điều này không làm xáo trộn hoạt động của hệ thống Đầu vào có thể được điều chỉnh hoặc thay đổi tùy theo nhu cầu của công nhân vận hành máy Mạch điều chỉnh vô cấp giúp duy trì độ sáng của đèn một cách mượt mà.

Hỏ thỏng điều khiển trong trường hợp này làm việc ở chế độ đúng-ngắt Trước tiên, đợi lệnh vào cú giỏ trồng tăng với mác đúng (ON) để tác động phần chấp hành Hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái ngắt khi nhấn nút STOP hoặc mất tiếp hành trình nào đó.

Ph°¢ng pháp này đ°ÿc dùng rÃt phá biÁn trong các há tháng có phÅn tā chÃp hành lo¿i đián c¢ nh°: R¢ le, công tÃc t¢

Trong kỹ thuật lắp đặt điện gia dụng, phương pháp điều khiển gián tiếp thực hiện các rơ le dòng, mạch cảm biến biến - tiếp điểm và cảm biến - không tiếp điểm (bán dẫn) Loại này được trình bày ở hình 1.7.

Hình 1.7: Hệ điều khiển gián đoạn dùng cảmbiến

Các phần R1, R2, T và C3 cung cấp nguồn nuôi cho Flip-Flop và các transistor trong mạch cảm biến Flip-Flop đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển tín hiệu Khi có tín hiệu tại ngõ vào E (do tiếp xúc vào bán cực cảm biến B), transistor Q3 tắt, triac được kích hoạt trong khoảng thời gian ngắn của điện áp nguồn Lúc này, dòng qua triac bằng 0 Xung vào tiếp theo làm transistor dẫn, C2 bù ngắn mạch và triac chuyển sang trạng thái tắt.

Mỏt tr°òng hÿp đặc biỏt cÿa ph°Âng phỏp điÃu khiÅn giỏn đo¿n là ''chÁ đỏ tiÁp xúc'', á chÁ đá này tr¿ng thái ON chã có hiáu lực khi mát nút nhã nhãn hoặc mát tiÁp điÅm nhiÃu vồ trớ đ°ÿc duy trỡ tr¿ng thỏi đúng Lo¿i này th°òng gặp ỏ cỏc c cÃu nõng, mòi mỏt chuyÅn đỏng nh°: Tới, lui, lờn, xuỏng cÅn mỏt nỳt nhÃn riờng, trong āng dāng này vồ trớ cÿa cÅn trắc là đ¿i l°ÿng ra X out.

3.2.3 ĐiÁu khiÃn theo ch°¢ng trình ĐiÃu khiÅn theo ch°¢ng trình là sự má ráng cÿa hai ph°¢ng pháp điÃu khiÅn vô cÃp và điÃu khiÅn gián đo¿n, trong ph°¢ng pháp này sā dāng các ''cÁm biÁn ch°Âng trỡnh'' và l¿i đ°ÿc chia làm hai lo¿i: ĐiÃu khiÅn tuÅn tự theo thòi gian và điÃu khiÅn theo tuyÁn

KĀ THUÀT ĐIÂU CHõNH (ĐIÂU KHIÄN MắCH KÍN)

Mô hình trình bày trên thể hiện con người đảm nhận vai trò khéo léo, cho thấy rõ những đặc tính nổi bật của há tháng điều chánh được thực hiện bằng tay.

Quá trình điều chỉnh là một phần quan trọng trong việc kiểm soát tự động, nhằm đảm bảo sự chính xác của lượng vật lý trong lò nung Quá trình này liên quan đến việc so sánh lượng mẫu với lượng chuẩn để xác định sai số, từ đó điều chỉnh tín hiệu điều khiển nhằm giảm thiểu sai lệch Lượng mẫu đóng vai trò thiết yếu trong việc so sánh trong quy trình điều chỉnh khép kín, thường được gọi là "vòng điều chỉnh".

Trong quá trình điều chỉnh, có hai yếu tố chính: đối tượng điều chỉnh và khâu điều chỉnh Khâu điều chỉnh bao gồm các khâu so sánh, dựa vào sự sai biệt giữa đại lượng mẫu và đại lượng chuẩn Tín hiệu này sẽ điều chỉnh lại đại lượng ra theo đúng yêu cầu.

Mạch điều chỉnh cực kỳ quan trọng trong việc điều khiển, được xác định bởi độ dày của vật liệu Dựa vào độ dày này, người ta phân loại thành ba loại: điều chỉnh theo giá trị cố định, điều chỉnh tự động và điều chỉnh theo trình tự thời gian.

Trong ph°Âng phỏp điÃu chónh theo giỏ trồ cỏ đồnh, giỏ trồ đặt là mỏt hằng sá trong suát quá trình ho¿t đáng

Trong phương pháp điều chỉnh tự động, giá trị thực phẩm phụ thuộc vào giá trị đặt và giá trị này có thể thay đổi trong quá trình hoạt động Ví dụ, máy cắt bằng tia laser, với độ cắt được xác định bằng máy tính, tạo ra một giá trị đặt tăng dần.

Trong phương pháp điều chỉnh theo trình tự thời gian, giá trị đặt phản ứng theo một trình tự thời gian đã được xác định trước Ví dụ: Hỏa thống điều chỉnh giá giảm nhiệt độ trong khoảng thời gian sau mỗi giờ đồng hồ.

Khác với kỹ thuật điều khiển, tín hiệu điều khiển trong kỹ thuật điều khiển chính không bị ảnh hưởng theo giá trị đặt mà chỉ phản ánh đúng tín hiệu sai biệt.

Hệ điều chỉnh được mô tả trong sơ đồ khối Hình 1.10 cho thấy sự so sánh giữa hai tín hiệu: tín hiệu đặt w và tín hiệu mẫu x Từ đó, tín hiệu điều khiển sẽ tác động đến quá trình điều chỉnh, đảm bảo sự chính xác trong việc thực hiện các hành động cần thiết.

Cỏc khỏi niỏm th°òng dựng trong kā thuÁt điÃu chónh là:

Tín hiáu sai biát X d = w - x Đá lách điÃu chãnh X = x – w = - Xd

Nhiều yếu tố có thể gây ra các ảnh hưởng không mong muốn đến đời sống, từ sự lựa chọn đến khâu điều chỉnh Những thay đổi này có thể tạo ra một tác động lớn trong đời sống, ảnh hưởng đến cách mà chúng ta cảm nhận và đối mặt với những tình huống khác nhau.

4.2 Ho¿t đáng cÿa vòng điÁu chãnh

Hình 1.10 cho thÃy cÃu t¿o cÿa mát vòng điÃu chãnh, trong đó chÿ yÁu là đái t°ÿng điÃu chãnh và khâu điÃu chãnh

Giáng nh° trong kā thuÁt điÃu khiÅn, đ¿i l°ÿng ra đ°ÿc lÃy tÿ đái t°ÿng Đái t°ÿng điÃu chãnh

So sánh KHÂU SO SÁNH

Bá biÁn đái ĐiÃu khiÅn Y

Năng l°ÿng Đ¿i l °ÿng ra điÅm đo

Điều chỉnh và đặc tính vật lý phụ thuộc vào cấu tạo của chúng Sự khác biệt giữa kỹ thuật điều khiển và kỹ thuật điều chỉnh là việc hồi tiếp tín hiệu từ hệ thống Trên đường hồi tiếp bao gồm một khâu điều chỉnh và một khâu so sánh, trong đó hồi tiếp là yếu tố quan trọng để đảm bảo tính ổn định của hệ thống: Khi tín hiệu hồi tiếp tăng lên, tín hiệu điều chỉnh sẽ giảm và ngược lại Hình 1.11 trình bày nguyên tắc của hai vòng điều chỉnh.

S đò ỏ hỡnh a t°Âng tự nh° mỏt m¿ch khuÁch đ¿i đÁo trong đú đỏi t°ÿng điÃu chónh là mỏt khuÁch đ¿i thuÁt toỏn Khõu điÃu chónh là cỏc điỏn trỏ hòi tiÁp õm, tớn hiỏu hòi tiÁp đ°ÿc đ°a vào ngừ vào đÁo cÿa KhuÁch đ¿i thuÁt toỏn nhằm māc đích đÁo pha.

Hình 1.11: Sơ đồ khối các vòng điều chỉnh

Thụng th°òng khõu so sỏnh đ°ÿc đặt tr°ớc khõu điÃu chónh (hỡnh 1.11b)

Mỏt vũng điÃu chónh khộp kớn cú mỏt đỏp āng nhÃt đồnh đỏi với sự biÁn thiờn cÿa đ¿i l°ÿng chónh đồnh và cÁ cÿa nhiòu Cỏc vũng điÃu chónh được chia thành hai loại: vũng điÃu chónh đỏp āng với nhiòu và vũng điÃu chónh đỏp āng với đ¿i l°ÿng chónh đồnh.

Cú nhiêu phương pháp xác định đặc tính của đỏi tường điều chỉnh, của khâu điều chỉnh và của vùng điều chỉnh Trong phương pháp tần số, người ta đặt lên ngừ vào cột hỏng một tín hiệu hình sin có biên độ cố định nhưng tần số thay đổi, sau đó đo biên độ và pha của tín hiệu ra tần số với các tần số khác nhau của tín hiệu vào.

Phương pháp thăm dò là một kỹ thuật nghiên cứu nhằm khảo sát phản ứng của các tham số đầu vào với tín hiệu đầu ra, giúp xác định mối quan hệ giữa chúng.

Xo a b là đáp āng xung cÿa há tháng

Trong hình 1.12, khi ngõ vào xuất hiện mát đát biến điến áp, cần phải có một khoảng thời gian nhất định để áp ra mới đạt được giá trị xác lập Tác động đáp ứng của hệ thống được xác định dựa trên thời gian chuyển tiếp T, là khoảng thời gian cần thiết để áp ra tăng đến giá trị xác lập X out với sai số ΔX out, sai số này phụ thuộc vào yêu cầu của há tháng Trong trạng thái chuyển tiếp, tất cả các quá trình điều hòa sẽ giảm đi và tiến đến giá trị xác lập Nếu đặt cùng mát đát biến điến áp như thể vào đái t°ÿng điều chảnh có đặc tính khác, đáp ứng của hệ thống sẽ có thời gian khác biệt như trong hình 1.13.

CÔNG TÂC ĐIàN TĀ

LINH KIàN VÀ MODULE

Ngoài các đặc tính cơ bản đã biết, linh kiện điều chỉnh công suất còn sở hữu những tính chất đặc biệt khác nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực điều khiển công suất lớn.

Linh kiện điện tử công suất đặc biệt được chế tạo từ silicon, loại vật liệu này chịu đựng nhiệt độ cao và điện áp ngược hiệu quả Để đánh giá chất lượng, người ta dựa trên các tiêu chí như khả năng chịu nhiệt, độ bền và hiệu suất làm việc của linh kiện.

- Đặc tớnh t*nh (d¿nđiỏn thuÁn-nghồch)

- Đặc tính đáng (du/dt và di/dt)

V.D: Vào năm 1983 trên thực tÁ đã chÁ t¿o đ°ÿc các thyristor công suÃt lớn chồu đ°ÿc điỏn ỏp nghồch đÁn 4,4Kv

Khác với diode thông thường, diode công suất có cấu trúc PsN bao gồm ba vùng bán dẫn silic với các mặt đáy tập chất khác nhau Giữa hai vùng bán dẫn P và N là một vùng có mặt đáy tập chất rất thấp, được gọi là vùng S.

Hình 2.1: Cấu tạo và ký hiệu điện diode công suất PsN

1.2.1 Đặc tuy¿n V – A Đ°òng đặc tớnh diode cụng suÃt rÃt gÅn với đặc tớnh lý t°ỏng (hỡnh 2.2), trong đó đo¿n đặc tính thuÁn có đá dác rÃt thẳng đāng (hình 2.2b) vì vây, nhiát đá trên diode xem nh° không đái, đián áp thuÁn trên diode là táng giữa đián áp ng°ỡng U (TO) không phā thuác dòng đián với thành phÅn đián áp tã lá với dòng đián thuÁn chÁy qua diode GiÁ sā nhiát đá là hằng sá, đián áp thuÁn trên diode đ°ÿc tính theo công thāc gÅn đúng sau :

Với r F : Đián trá đáng theo chiÃu thuÁn

Hình 2.2: a) Đặc tính diode lý tưởng ; b) đặc tính diode thực tế

1.2.2 Hỏ sò hỡnh dỏng Đỏ tin cÁy cÿa diode đ°ÿc đỏnh giỏ qua khÁ năng chồu tÁi ỏ chÁ đỏ làm viỏc dài h¿n với tÅn sá l°ới đián 50-60Hz và nhiát đá t¿i mái nái phā thuác rÃt lớn vào cụng suÃt tiờu tỏn, nhiỏt trỏ và điÃu kiỏn tòa nhiỏt cÿa diode

Trong vớ dā 1.2.2, dũng qua diode cú giỏ trồ cỏ đồnh là tr°òng hÿp hiÁm khi xÁy ra Trờn thực tÁ, dũng qua diode cú d¿ng xung và gòm hai giỏ trồ: Giỏ trồ hiỏu dāng và giỏ trồ trung bỡnh Trong tr°òng hÿp chónh l°u 3 pha bỏn kÿ (M3), thòi gian d¿n cÿa mòi diode là T/3 Hỡnh 2.3 trỡnh bày cỏc giỏ trồ cÿa i F đo bằng dāng cā đo chó thồ kim.

Hình 2.3: Đồ thị thời gian dòng thuận của dioe, giá trị trung bình và hiệu dụng

Trong sỏ tay tra cứu thông thường cho giá trị trung bình I FAV của diode, hình 2.3 minh họa các giá trị này đặc trưng cho tính chất chuỗi xung đi qua diode.

Mặt khỏc giỏ trồ hiỏu dāng IFRMSđ°ÿc đo bằngđòng hò d d

Sự khác nhau giữa dũng điển đo bằng đồng hồ và dũng tính toán được thể hiện bởi hình dạng đồ thị F, trong đó tỉ số giữa giá trị hiệu dụng và giá trị trung bình là rất quan trọng.

Vì há sá hình dáng phā thuác vào d¿ng dòng đián, trong thực tÁ đái với cỏc d¿ng tớn hiỏu thụng, việc xác định F và một trong hai giỏ trồ là rất quan trọng Điều này giúp tỡm đ°ÿc giỏ trồ một cách dò dàng và hiệu quả.

Hình 2.4: Hệ số hình dáng các dạng dòng điện quan trọng

1.2.3 Công suÃt trên diode khi d¿nđián

Công suÃt r¢i trên diode đ°ÿc tính theo công thāc

Với IFRMS= F.I FAV , suy ra:

1.2.4 ĐiÁu kiỏn chuyÃn m¿ch và điỏn ỏp nghồch

Diode hoạt động dựa vào cực tính điện áp áp đặt lên nó, và chuyển sang trạng thái tắt khi dòng điện qua diode bằng 0.

Hình 2.5: Diode như 1 công tắc điều khiển bằng điện áp

Trong hình trình bày mát công tÃc diode lý t°áng đáp āng đ°ÿc các điÃu kián sau:

Trong quá trình làm việc, việc xuất hiện các xung nhiễu có thể làm cho điện áp nghịch tác động lên diode, dẫn đến việc không đáp ứng được yêu cầu U RRM Để khắc phục tình trạng này, cần chọn mạch chồng lấp với hằng số an toàn từ 1,5 đến 2.

NÁu ngừ ra m¿ch chónh l°u cú dựng tā lọc thỡ điỏn ỏp nghồch đặt trờn diode bằng 2 lÅn giỏ trồđónh cÿa điỏn ỏp xoay chiÃu ỏ ngừ vào

1.2.5 Phân lo¿i diode công suÃt

Dựa trên l*nh vực āng dāng, các diode công suÃt đ°ÿc chia thành các lo¿i nh° sau:

- Diode tiờu chuẩn (tỏc đỏ chÁm) dựng cho cỏc yờu cÅu thụng th°òng với tÅn sá làm viác tÿ 50 60Hz

- Diode công suÃt lớn với dòng cho phép đÁn 1,5KA

-Diode điỏn ỏp cao với điỏn ỏp nghồch cho phộp đÁn 5KV

-Diode tỏc đỏ nhanh với thòi gian trỡ hoón ngÃn, cú đặc tớnh đỏng và hiỏu suÃt cao

- cỏc diode cho phộp làm viỏc với xung điỏn ỏp nghồch trong mỏt khoÁng thòigian ngÃn

Hình dáng cÿa dioe công suÃt thực tÁ:

Thyristor, hay còn gọi là SCR, là một linh kiện điện tử công suất phổ biến, có đặc tính tương tự như diode Trong đặc tính thuần, Thyristor chỉ có hai trạng thái ổn định Để chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn, cần phải kích xung điện áp vào cực cổng của Thyristor Khoảng cách từ góc tọa độ đến thời điểm xuất hiện xung kích được gọi là gúc kích.

Hình 2.6: Đường đặc tính lý tưởng của Thyristor

Hình 2.7: Đường đặc tính thực tế của thyristor

Vì đặc tính thuÁn giáng nh° diode nên ph°¢ng pháp tính công suÃt tiêu tán cũng t°¢ng tự diode, chã khác á chã sá F đ°ÿc thay bằng chã sá T

Hình 2.8 là m¿ch chãnh l°u có điÃu khiÅn dùng thyristor với các điÃu kián chuyÅn m¿ch nh° sau:

Khụng d¿n: U < 0; UGK bÃt kÿ(Khúa nghồch)

Hình 2.8: Thyristor như 1 công tắc điều khiển bằng công tắc và xung kích

Dũng kớch trong khoáng thời gian bỏn kÿ ôm sẽ làm giảm khả năng chịu đựng điện áp nghịch của thyristor Mặc dù theo chiều thuận chỉ có một miền PN phân cực nghịch, trong khi theo chiều nghịch lại có hai miền Tuy nhiên, nhà sản xuất thường cho hai trị số điện áp định nghĩa là bằng nhau.

Hình 2.9: Đặc tính khóa nghịch của thyristor theo dòng kích

Ngoài ra trong sá tay còn cho biÁt dòng rò theo chiÃu thuÁn I D cũng nh° theo chiÃu nghich I R Cỏc dũng điỏn này phā thuỏc vào nhiỏt đỏ mỏi nỏi ẵ J ,

Vật phẩn mạch điều khiển trong sạc tay cho biết dòng kích I GT và điện áp kích GT Thông thường, các trồ sỏ này là tối thiểu và với điều kiện tải nhiệt độ môi trường là 25 độ C.

Trong trường hợp tái điển cảm, xung kích phải được duy trì cho đạn khi dũng qua thyristor lớn, nhằm duy trì dòng điện I H và tránh trường hợp thyristor chuyển sang trạng thái tắt (khóa thuẫn).

PH¯¡NG PHÁP BÀO Và DIODE SILIC

Trong quá trình làm việc, nhiệt độ, dòng điện và áp lực tác động lên các diode không giống nhau, vì vậy trong các thiết bị chỉnh lưu, cần chú ý đến các phần báo vá và trình bày một cách rõ ràng.

Hiện tượng quá điện áp có thể phát sinh do hiện tượng tích tụ điện tích, áp suất hoặc biến thiên dòng điện trong mạch điện Các điện áp này có thể vượt quá điện áp ngược cho phép của diode và gây hỏng diode.

2.1.1 BÁo vá quá áp do hiáu āng tích tụ đián tích

Khi áp dụng điện áp trên diode ở mức 0, vùng tiếp xúc vẫn chứa nhiều hạt tự do, cho phép dòng điện chạy qua diode Mặc dù điện áp lúc đó là âm, nhưng dòng điện vẫn có thể lưu thông Tuy nhiên, khi các hạt tự do rời khỏi vùng tiếp xúc, dòng điện sẽ giảm dần Hiện tượng này tạo ra một mạch điện cảm ứng với điện áp, và tần suất phát sinh dòng điện phụ thuộc vào điện áp lưới.

Xung điện áp có thể gia tăng với điện áp lưới, gây nguy hiểm cho diode tăng áp Để bảo vệ diode này, cần ghép mạch báo với tính chất điện dung song song, còn gọi là mạch AHS, giúp kiểm soát dòng điện đi qua diode.

Hình 2.25: Bảo vệ diode trongchỉnh lưu cầu bằng mạch AHS

Thyristor hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự như diode, nhưng có khả năng điều khiển dòng điện và áp suất thông qua góc kích Trong quá trình hoạt động, thyristor cần được cấp điện áp và dòng điện phù hợp để duy trì trạng thái dẫn Do đó, khi sử dụng thyristor, cần lưu ý đến mạch báo vỏ AHS, bao gồm một điểm nối tiếp với một điểm trở đỏm Giá trị của các linh kiện này phụ thuộc vào mạch điện cụ thể, điện áp và dòng điện cho phép Ví dụ, với các thyristor có dòng điện tối đa 50A, cần đảm bảo điện áp nguồn và các thông số kỹ thuật tương ứng.

Hình 2.26: Giá trị các mạch AHS

2.1.2 Quá áp do đóng ngÃt

Quá điền áp có thể xảy ra do hiện tượng đóng ngắt tại các điểm cảm hoặc điểm dung, do biến thiên tủy thông trong các đáng cáp điển mát chiếu và cũng có thể do sột đỏnh vào dây dẫn ngoài trời Do đó, việc chọn biện pháp báo vỏ phả thuốc vào từng trường hợp và đang dăng cáp là rất quan trọng.

Trong nhiều trường hợp, hiện tượng quá áp có thể được báo hiệu bởi một mạch RC Tác dụng của các điện dung trong mạch này nhằm tích trữ năng lượng của các xung điện áp và của các điện trở tiếp theo là rất quan trọng Trong nhiều trường hợp, một mạch RC như thế thường thực hiện cả hai nhiệm vụ: báo vá AHS và báo vá quá điện áp.

Phương pháp này có hạn chế về kích thước lớn và tính kinh tế không cao, đặc biệt đối với các diode điện áp thấp thường sử dụng phương pháp báo vỏ 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 phÅn tÿbÁo vá quá áp

Các phần tử này được chia thành hai loại: loại dẫn điện khi quá điện áp và loại hạn chế điện áp Đặc tính của loại dẫn điện có độ dẫn điện cao, chúng sẽ chuyển sang trạng thái dẫn điện (điện trở nhỏ) khi điện áp đạt một giá trị nhất định.

Các phần tử giới hạn điện áp bao gồm: Varistor và các diode giới hạn điện áp đột ngột Những linh kiện này hạn chế điện áp tại một giá trị xác định, bảo vệ các linh kiện bán dẫn khác Hình 2.28 trình bày ba loại phần tử bảo vệ quá áp quan trọng nhất thường được sử dụng trong kỹ thuật chống sét.

Loại này phù hợp với đặc tính của thyristor, như hình 2.28 Do có điện dung lớn, chúng thường được sử dụng để giảm thiểu sự biến động của điện áp tạo ra bởi các xung điện áp.

Varistor được sử dụng trong mạch TSE dành cho các thyristor có dòng ngược nhỏ hơn 20A Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc hạn chế điện áp trong các mạch chọn lọc không điều khiển có công suất nhỏ và trung bình, cũng như trong các mạch ổn áp.

Chỳng cú cÃu t¿o giỏng thyristor có điện áp định mức chính xác U BO, không có cực cáng, với điện áp đánh thủng đạt 500V đến 4000V nhằm mục đích ngăn chặn khả năng tự d¿ncÿa của thyristor.

Hình 2.28: Các phần tử bảo vệ quá áp

Varistor s¿ h¿n chÁ đián áp khi thyristor á tr¿ng thái khóa thuÁn đÅ tránh hián t°ÿng tự d¿ncÿa thyristor khi xuÃt hián xung đián áp

Diode ỏn ỏp đòi xāng

Là kát hÿp giữa hai diode giới hạn điện áp ghép nối tiếp và ngược chiều, loại này thích hợp để bảo vệ vỏ cho các diode lớn trong các thiết bị có công suất từ 100KW trở lên Đối với các thyristor có tác động tăng điện áp thấp, cần phải thêm mạch AHS.

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 BÁo vá quá dòng và ngÃn m¿ch

Diode silicon thường có nhiệt dung thấp, dẫn đến việc quá nhiệt khi dòng điện chạy qua có giá trị quá lớn Tác động tăng dòng không được lớn hơn giá trị cho phép, nếu không sẽ gây hư hỏng diode Giới hạn dòng điện và công suất cần được lưu ý và đảm bảo trong tay của nhà sản xuất Như đã trình bày ở mục 2.1.5.4, tác động tăng dòng di/dt có thể giảm thiểu bằng cách ghép thêm diode cám trong quá trình làm việc, và các diode cũng cần được báo cáo đúng cách.

- Quá dòng ngÃn h¿n khi ch¿m m¿ch cũng nh° quá tÁi

- Quỏ dũng dài h¿n (luụn bồ quỏ tÁi) Dựa trờn nguyờn nhõn phỏt sinh, cỏc hiỏn t°ÿng trên đ°ÿc phân lo¿i nh° sau:

Gõy ra bỏi khÁ năng chồu đựng điỏn ỏp thuÁn cũng nh° nghồch cÿa thyristor giÁm, bỏi xung nhiòuhoặc cỏc miÃn tiÁp xỳc bờn trong bồ ngÃn m¿ch

Gõy ra do tÁi bồ ngÃn m¿ch, điỏn ỏp l°ới quỏ cao hoặc h° hòng thiÁt bồ chuyÅn m¿ch

CÔNG TÂC XOAY CHIÂU VÀ 3 PHA

Trong trường hợp công suất lớn, bên cạnh việc làm nguội bằng không khí, còn có thể sử dụng nước và các loại dầu đặc biệt để làm nguội các linh kiện công suất nhỏ hơn Phương pháp làm nguội tự nhiên bằng không khí cũng được áp dụng, và diện tích cánh tản nhiệt được tính toán theo công thức kinh nghiệm để đảm bảo hiệu quả tối ưu.

Làm nguội các bộ phận bằng cách sử dụng quạt gió hoặc bơm nước là phương pháp hiệu quả để đảm bảo quá trình tỏa nhiệt tốt Phương pháp này thường được áp dụng trong các hệ thống có công suất lớn, giúp cải thiện khả năng làm mát và duy trì hiệu suất hoạt động ổn định.

3 CÔNG TÂC XOAY CHIÀU 3 PHA

Các van bán dẫn như transistor và thyristor chỉ cho dòng điện chạy qua theo một chiều Tuy nhiên, trong kỹ thuật xoay chiều ba pha, mạch chuyển mạch điện phải có khả năng cho dòng điện chạy theo hai chiều Yêu cầu này được thực hiện bằng triac hoặc ghép song song và ngược chiều các thyristor với nhau.

Hình 2.42: Công tắc xoay chiều dùng thyristor và triac

Công tác đẩy đóng bằng cách kích xung vào van tăng áp theo chiều dẫn điện, trong đó xung kích là điện áp một chiều tại mối bỏn kỳ của điện áp xoay chiều.

Mặc dù các công tÃc c¢ khí v¿n còn sā dāng nh°ng trong nhiÃu l*nh vực chỳng đó bồ thay thÁ bỏi cụng tÃc điỏn tā

Trong sá tay kā thuÁt các công tÃc đián tā có ký hiáu nh° sau:

- Rò le điỏn tā ELR

- Rò le bỏn dẩn SSR

PhÅn sau đây trình bày °u và khuyÁt điÅm cÿa công tÃc đián tā so với công tÃc c¢ khí ¯u điÃm

- Tác đá chuyÅn m¿ch cao

- TÅn sá đóng ngÃt cao

- Khụng bồ Ánh h°ỏng mụi tr°òng

- Không cách ly và đián giữa l°ới và tÁi ngay cÁ á tr¿ng thái tÃt

- Tiêu hao t°¢ng đái lớn

- KhÁ năng quá dòng có giới h¿n

- KhÁ năng quá áp có giới h¿n

Dòng điện và điện áp trong tái điện trở thì tỉ lệ thuận với nhau Do đó, nếu xung kích xuất hiện ngay tại thời điểm điện áp lớn hơn giá trị cực đại thì dòng điện trong mạch sẽ tăng đột ngột lên giá trị cực đại, với tác động tăng dòng quá lớn như thế có thể gây nguy hiểm cho van bơm dân và cũng tạo nên nhiều tổn thất cao.

Hiện nay, hầu hết các công tác xoay chiều đang trong công nghiệp đều là loại chuyển mạch tĩnh áp bằng 0 Phần tiếp theo sẽ giới thiệu một số công tác quan trọng thuộc loại này.

3.2.1 Nguyên tÃc chuyÃn m¿ch t¿i điÃm 0

Hình 2.43 trình bày quan há giữa ho¿t đáng cÿa mát công tÃc khi đóng trực tiÁp với tÁi và khi đóng t¿i điÅm 0

Hình 2.43: Dòng tải qua công tắc 1 pha có và không có kích tại điểm 0

Công tác chuyển mạch tại điểm 0 của các linh kiện điện tử thường sử dụng thyristor hoặc triac Trong trường hợp có công suất lớn, thời điểm kích hoạt nên được thực hiện ngay sau khi điện áp giảm xuống dưới điểm 0.

Thyristor cũng nh° triac đ°ÿc điÃu khiÅn bằng đián áp mát chiÃu hoặc xung, hián nay có nhiÃu m¿ch điÃu khiÅn đ°ÿc chÁ t¿o bằng công nghá vi m¿ch

Hình 2.44 mô tả mạch công tắc chuyển mạch tới điểm 0 sử dụng vi mạch điều khiển TCA 780 với tái cảm kháng Bằng cách chọn biến trở ở vị trí thích hợp, gúc kích ấn đồnh tại ³ = 0 0 và khi tái đặc đúng mạch, xung kích phải có biên độ đủ lớn để đi qua van, đảm bảo thời gian tăng cao và duy trì Chuyển mạch tới điểm 0 cũng có thể thực hiện với vi mạch U106BS.

Hình 2.44: Công tắc xoay chiều 1 pha W1

3.2.2 Rò le điỏn tÿ (ELR)

Rò le điển, hay còn gọi là ELR hoặc SSR (rò le bỏn dẫn), hiện đang được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật điều khiển điển Thiết bị này giúp cách ly và điều khiển tín hiệu giữa tái và mạch điều khiển, thường sử dụng các liên kết quang học Tín hiệu điều khiển được truyền đạt một cách đáng tin cậy thông qua ánh sáng.

Hình 2.45: Sơ đồ khối ELR

Thụng sò kÿ thuÁt cÿa rò le điỏn tÿ ELR A 240 (Siemens)

- Dòng chuyÅn m¿ch hiáu dāng 40A

- Đián áp chuyÅn m¿ch hiáu dāng 240V

- Đãnh đián áp cực đ¿i khi tÃt 600V

- TÅn sá làm viác 47 63Hz

- Đỏ tăng điỏn ỏp 200V/ẳS

- Đỏ tăng dũng điỏn 20A/ẳS

- Tích phân tÁi giớih¿n (10mS) 300A 2 S

- Đián áp điÃu khiÅn (mát chiÃu) 3 30V

- Dòng điÃu khiÅn (mát chiÃu) < 20 mA

Mát linh kián ELR nh° thÁ đ°ÿc chÁ t¿o d°ới d¿ng mát khái với 4 chân ra (hình 2.46) có kích th°ớc nh° 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

Hình 2.48 mô tả nguyên lý hoạt động của ELR khi không có điện áp điều khiển giữa chân 3 và 4 Khi ELR tắt, đèn LED V2 không sáng và transistor V3 bị khóa Lúc này, dòng điện đi qua R4 làm cho V4 dẫn, điều khiển thyristor V5 bật Thyristor V5 và triac V7 cũng được kích hoạt, cho phép dòng điện chảy qua hai linh kiện này.

Khi đặt điện áp từ 3V đến 30V giữa chân 3 và 4 của ELR, LED V2 sẽ sáng, kích hoạt quang transistor V3 Với cấu phân áp chọn thích hợp, V4 sẽ duy trì trạng thái ổn định với giá trị 0V của điện áp lớn, trong khi dòng kích qua R5 làm cho thyristor V5 và triac V7 dẫn điện, cung cấp dòng cho tải Khi I L lớn hơn I H, điện áp rơi trên ELR có giá trị U T nhỏ hơn 1,6V.

NÁu điỏn ỏp điÃu khiÅn Ucontr xuất hiện tại thời điểm t1, với điện áp l°ới U > 30V, ELR vẫn duy trì trạng thái tốt cho đàn bán kÿ kÁ tiÁp Thời gian trỡ hoón lúc đúng m¿ch có thể kéo dài đàn 1 bỏn kÿ do đặc tính kích tại điểm 0, điều này được minh họa trong biểu đồ thời gian dưới đây.

Transistor V3 đã được kích dẫn, trong khi transistor V4 vẫn duy trì trạng thái dẫn do điện áp cực phát của nó lớn Điều này cũng áp dụng cho thyristor V5 và triac V7, giúp duy trì trạng thái dẫn Đường đặc tính ở hình 2.48 và 2.49 cho thấy triac V7 được kích dẫn trong môi trường bỏng khi điện áp bằng 0.

Khi mạch điều khiển mất điện, triac không được kích hoạt, dẫn đến việc dòng điện qua triac bằng 0 Diode V1 trong mạch điều khiển có nhiệm vụ bảo vệ và ngược cực tính cho LED, vì LED chỉ hoạt động ở điện áp thuận và có điện áp ngược cho phép rất thấp.

Hình 2.49: Đặc tính chuyển mạch của ELR khi điện áp lớn hơn 0V

3.2.3 ELR trong m¿ch tự duy trì ĐÅ đÂn giÁn cho viỏc chuyÅn đỏi tÿ cỏc thiÁt bồ đúng cÃt điỏn c sang điỏn tā, các khái niám trong kā thuÁt điÃu khiÅn đián c¢ cũng đ°ÿc áp dāng trong kā thuÁt điÃu khiÅn dùng m¿ch đián tā

Hình 2.50: Mạch tự duy trì dùng công tắc tơ điện cơ

Hình 2.51: Mạch tự duy trì dùng rơle ELR

Ví dā trong yêu cÅu đóng ngÃt dùng nút nhÃn có mát m¿ch rÃt quen thuác đó là m¿ch "tiÁp điÅm tự duy trì" (hình 2.50)

CÔNG TÂC MàT CHIÂU

Khác với công tác xoay chiều và công tác ba pha cân bằng sử dụng ít nhất hai thyristor, trong công tác điển hình, hệ thống có thể sử dụng nhiều thyristor và cũng có thể áp dụng các transistor chuyển mạch.

Là mát dũng phát triển của công tác xoay chiều điện táo gọn trong mát khái Ví dụ: các công tắc điện táo xoay chiều Do yêu cầu không cao, nên các công tắc điện DC loại này hiện nay chưa phổ biến mà thay vào đó là việc sử dụng các công tắc DC bằng transistor và thyristor truyền thống.

4.3 Công tÃc DC dùng transistor

Transistor hoạt động như một công tắc chuyển mạch, có hai trạng thái chính là ON và OFF Đặc tính chuyển mạch của transistor phụ thuộc trực tiếp vào loại tài sản mà nó đang xử lý Hình 2.61 minh họa đường đặc tính làm việc của transistor trong các điều kiện điện áp khác nhau, bao gồm đường đặc tính nột và hai đường của tài sản 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 tÃc DC dùng BJT

Hình 1.60 minh họa nguyên lý hoạt động của cụm tác transistor tái điện kháng, bao gồm thành phần điện cảm L và thành phần điện trở R, với các đặc tuyến tần số rõ ràng.

Mạch trên thòng đẩy đang được sử dụng để điều khiển nam châm máy nâng vận chuyển Ưu điểm của loại mạch này là khả năng tránh đứt các điểm áp nhiều do ghép ký sinh với dây dẫn ở ngữ vào.

4.3.2 Công tÃc DC dùng FET

Thòi gian tr°ớc đõy transistor tr°òng khụng đ°ÿc sā dāng trong l*nh vực đián tā công suÃt, °u điÅm cÿa chúng là:

-Công suÃt điÃu khiÅn thÃp

Đỏ ỏn đồnh nhiỏt tỏt và khuyÁt điÅm là điỏn trỏ khi d¿n điỏn cũn cao Ngoài °u điÅm đã kÅ á, còn có °u điÅm nāa là không cÅn đián trá cân bằng khi ghộp song song các VMOS-FET lại với nhau, như minh họa trong hình 2.62 Trong trường hợp BJT, điều này được thể hiện trong hình 2.63.

Hình 2.62: Ghép song song VMOSFET

Hình 2.63: Ghép song song BJT

Nhò cầu tạo gọn nhẹ hiện nay trong một vi mạch có thể tích hợp hàng ngàn VMOS-FET, với điện áp cho phép lên đến 1000V và dòng điện đạt 30A.

4.4 Công tÃc DC dùng GTO thyristor

Hiện nay, chưa có thyristor GTO mới với khả năng tắt bằng cách đưa xung âm vào cực cánh Các loại thyristor này được chế tạo với dòng điện hoạt động lên đến 200A và điện áp tối đa 1200V Tuy nhiên, phạm vi ứng dụng của linh kiện này vẫn hạn chế do giá thành và công suất điều khiển tắt còn cao.

4.5 Công tÃc DC dùng thyristor

Thyristor là một thành phần quan trọng trong mạch điện áp cao và dòng điện lớn, nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế Mặc dù nó có nhiều ưu điểm, hiệu suất của thyristor trong mạch điện áp cao chưa đạt được mức tối ưu như các biện pháp điều khiển khác Điều này ảnh hưởng đến khả năng lưu trữ năng lượng trong mạch điện dung, làm giảm hiệu quả tổng thể của hệ thống.

4.5.1 Công tÃc DC thyristor với tÁi đián trá

Hình 2.64 minh họa sơ đồ chuyển mạch một chiều sử dụng thyristor với tái điện trở Tiếp theo là phần giải thích nguyên lý hoạt động của thyristor trong mạch giao hoán.

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

Tr¿ng thái 1(Tr¿ng thái t*nh)

Thyristor SCR tÃt, nút nhÃn S1 và S2 há (hình 2.64), dòng trong m¿ch bằng

0, qua đốn và điỏn trỏ 1KΩ, điỏn ỏp 2 cực cÿa điỏn dung C = 0,15ẳF cũng bằng điỏn ỏp nguòn U = 20Vvà tā khụng đ°ÿc n¿p (hỡnh 2.65)

Tr¿ng thái 2 (Tr¿ngthái t*nh)

Thyristor SCR được kích bằng S2, sau khi kích S2, dòng điện sẽ chạy qua đèn, với điện áp tại cực A của nó là +1V (điện áp rơi trên thyristor), trong khi điện áp tại cực B là UB = +20V, và nó đã được nạp mát lưỡng điện.

Hình 2.66: Trạng thái 2 thyristor SCR đang dẫn

Hình 2.67: Tụ đang nạp ở trạng thái 2

Tr¿ng thái 3 (tr¿ng thái đáng)

Thyristor dần đi đến trạng thái tắt khi đóng S1, khiến cực B của nó giảm từ +20V xuống 0V Trong khi đó, điện áp cực A thay đổi từ +1V xuống -19V, dẫn đến việc thyristor bị phân cực nghịch (anode âm hơn cathode) Kết quả là dòng điện qua thyristor giảm xuống mức thấp, dẫn đến việc 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

Tr¿ng thái 4 (tr¿ng thái đáng)

Thyristor tÃt, S1 còn đóng (hình 2.70), ngay khi thyristor tÃt dòng không còn chÁy qua đèn, đián áp t¿i cực A cÿa tā tăng tÿ -19V đÁn +20V (tā đ°ÿc n¿p theo chiÃu ng°ÿc l¿i)

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 n¿p này xÁy ra sau khi tā đã phóng đián tr°ớc đó qua đián trá trong cÿa nguòn nuụi

Tr¿ng thái 5 (tr¿ng thái đáng)

Khi đã đạt được điện áp 20V (cực A dương hơn cực B), S1 được kích hoạt, khiến dòng điện chạy qua các điện trở R1, R2 và đèn theo quy luật hàm mũ Khi điện áp ở cực B đạt U = +20V, mạch trở thành trạng thái 1 và chuẩn bị cho xung kích tiếp theo.

Hình 2.72: Điện tích trong tụ ở trạng thái 5, S1 hở

4.5.2 Công tÃc DC dùng thyristor với tÁi trá kháng

ChuyÅn m¿ch mát chiÃu vÿa trình bày á phÅn trên cũng có thÅ làm viác với tÁi trá kháng nÁu thêm vào trong m¿ch mát vài phÅn tā thích hÿp

Tan so xung kich f PHz

Hình 2.73: Công tắc DC thyristor với tải trở kháng (mạch thí nghiệm)

Chuyển mạch một chiều đang trở thành xu hướng trong các thiết bị chọn lọc, với ưu điểm nổi bật là thời gian tác động nhanh và độ tin cậy cao.

Trong trường hợp phái tác động tới các khối đỏng, nguồn điện cũng cần được điều chỉnh để đảm bảo hiệu suất tối ưu Việc sử dụng thyristor trong quá trình điều khiển điện áp là rất quan trọng, giúp đạt được các khái niệm cần thiết trong hệ thống.

Bài tÁp

1 Trình bày ph°¢ng pháp đo đ¿c diode công suÃt

2 Trình bày ph°¢ng pháp đo đ¿c Transitor công suÃt

3 Trình bày ph°¢ng pháp đo đ¿c Thyristor công suÃt

4 Trình bày ph°¢ng pháp đo đ¿c Triac công suÃt

5 Trình bày ph°¢ng pháp đo đ¿c GTO công suÃt

6 Trình bày ph°¢ng pháp đo đ¿c IGBT công suÃt

ĐIÂU KHIÄN CÔNG SUÂT ĐIàN TĀ

ĐIÂU KHIÄN CHUàI XUNG (TOÀN SÓNG)

Quá trình hoạt động của mạch điều khiển công suất trong lưới điện xoay chiều mát pha và 3 pha tăng đái diễn ra ổn định mà không có vấn đề gì xảy ra Các linh kiện triac và thyristor tự động bật tắt khi dòng điện chạy qua chúng bằng 0 Tuy nhiên, với các dạng mạch điện mát chiều, vẫn phải có biện pháp thích hợp để điều khiển tốt các thyristor.

Trong mạch điền xoay chiều mát pha và ba pha, phương pháp thay đổi gúc pha vẫn có thể áp dụng trong việc điều khiển chuỗi xung để thay đổi công suất trên tải.

2 ĐIÀUKHIÂN CHUàI XUNG (TOÀN SÓNG)

Phương pháp này, còn được gọi là phương pháp điều khiển toàn sóng, đặc biệt ở chỗ áp dụng kỹ thuật chuyển mạch tại điểm 0 để điều khiển chính xác Thời gian đúng và mỏ thay đổi sẽ làm thay đổi công suất, từ đó đạt được hiệu quả tối ưu với tỷ lệ 0% đến 100%.

Ph°Âng phỏp này th°òng ỏp dāng trong yờu cÅu điÃu khiÅn lũ s°ỏi vỡ cỏc °u điÅm sau đây:

- Ít gõy nhiòu vụ tuyÁn do đặc điÅm cÿa ph°Âng phỏp kớch t¿i điÅm 0

- Há sá công suÃt cos ϕ= 1 vì công suÃt phÁn kháng thÃp

- Ít súng hài vỡ trong khoÁng thòi gian d¿n điỏn dũng qua tÁi cú d¿ng hỡnh sin

Bảng bán tín hiệu điều khiển có dạng hình chữ nhật với biên độ xung thay đổi và chu kỳ cố định Hình 3.1 mô tả nguyên tắc phương pháp điều khiển chuỗi xung với chu kỳ TSW = 80ms, trong đó thời gian bật t on = 60ms và thời gian tắt t off = 20ms Từ đó, ta có thể tính toán suất tỏa P, với giá trị nhỏ hơn suất cực đại Pmax.

P = (t on /T off ) Pmax Hỡnh 3.1 t°Âng āng với tr°òng hÿp P = 3/4.Pmax tāc là cụng suÃt rÂi trờn tÁi bằng 75% công suÃt tiêu thā cực đ¿i cÿa tÁi.

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 lớp sỏi T SW thường có trễ khoáng vài giây, cùng suất trên tải đất cực tiểu tăng dần theo thời gian, dẫn đến ngân nhàn nhất và dũng điển qua tải luôn tồn tại trong nhiều chu kỳ của điện áp lưới.

Ngược lại, công suất tái sử dụng đèn LED cực kỳ hiệu quả khi thời gian tắt ngắn nhất Tuy nhiên, phương pháp này không thích hợp cho yêu cầu điều khiển ánh sáng đèn và tác động đến độ sáng bóng nhấp nháy và độ sáng quay không tròn vững.

Trong thực tế, có nhiều vi mạch độc đáo được thiết kế để điều khiển chuỗi xung Các IC này không chỉ đáp ứng yêu cầu điều khiển mà còn tích hợp khả năng đồng thời, tạo ra xung kích cho các mạch điều khiển bằng phương pháp thay đổi góc pha.

Theo tiêu chuẩn DIN EN 50006/VDE 0838, phương pháp điều khiển chuỗi xung được gọi là điều khiển đái xăng khi không có thành phần mát chiếu qua tải hoặc số lượng bận kỳ dạng bằng với số lượng bận kỳ ẩm trong khoảng thời gian dẫn Điều khiển công suất tải tỷ lệ P = 1% đến P = 99%, giá trị thời gian T SW = 4S (tầng đẳng 200 chu kỳ), tại tần số là f = 50Hz, thời gian dẫn ngắn nhất t on min = 40mS và dài nhất ton max = 3960mS Xung điều khiển phải có dạng chữ nhật với biên độ thay đổi từ 40mS đến 3960mS và chu kỳ phải có độ dài tại T SW 4S.

2.2 ĐiÁu khiÃn chuòi xung với tÁi trỏ khỏng và tÁi bi¿n ỏp

2.2.1 CÃu t¿o thi¿t bồ thyristor ghép song song ng°ÿc chiÃu và đ°ÿc ghép nái tiÁp với tÁi, tín hiáu điÃu khiÅn hai thyristor này cú thÅ là tớn hiỏu nhồ phõn hoặc mỏt điỏn ỏp thay đỏiđ°ÿc

Trong sÀ đò khỏi ỏ hỡnh 3.2, có một khối tạo xung cú nhiễm và biến đổi từ một điểm áp vào tầng tự thành tớn hiểu nhồ phân cú tần số phù hợp Tiếp theo là hai tần điều chỉnh bã rỗng xung đột báo đám kích dân ổn định cho tái đián cảm Nếu đián áp điều khiển được lấy từ tÿ mát cảm biến nhiệt, thì mạch sẽ có khả năng kiểm soát nhiệt độ.

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 cho thấy cách biến đổi tín hiệu điều khiển Ucontrol khi tần số điều khiển thay đổi, với fS = 1/TS.

ThiÁt bồ này cú quan hỏ giữa điỏn ỏp điÃu khiÅn với cụng suÃt P là tuyÁn tính (hình 3.4)

Hình 3.4: Quan hệ giữa điện áp điều khiển với công suất biến đổi

Hình 3.5 minh họa mối quan hệ giữa phạm vi điều chỉnh và tần số điều khiển fS, cho thấy tại tần số f = 25Hz, công suất ra đạt (P/Pmax) = 0,5, tương ứng với công suất cực đại Tại tần số f = 25Hz, công suất có thể điều chỉnh trong phạm vi từ 0,25 đến 0,75 Do đó, để tăng phạm vi điều chỉnh công suất, cần phải giảm tần số điều khiển.

Hình 3.5: Quan hệ giữa tần số điều khiển với công suất biến đổi

2.2.2 ĐiÁu khiÃn tÁi trá kháng

Hình 3.2 trình bày hai khái niệm chính về bão hòa xung nhằm mục đích kích dương thyristor một cách chắc chắn khi tái là điển cám Trong trường hợp này, tái không có nghĩa là có thêm thành phần điện trở thuần, do đó xuất hiện thành phần một chiều do sự lệch pha chồng lên điện áp xoay chiều, làm sai thời điểm kích.

Do đó, hiện tượng này trong khái niệm xung kích đặc kết hợp với mạch logic cho điện áp vào mạch sau một góc trò ³ 0 có thể tạo ra lực bắt đầu xung kích đầu tiên Góc lách này thay đổi được nhờ một biến trở tùy theo tính chất của từng loại tải trong phạm vi từ 30° đến 120°.

Giới h¿n này chó Ánh h°ỏng đÁn chuòi xung đÅu tiờn, t¿i cỏc chuòi xung tiÁp theo viỏc chuyÅn m¿ch xÁy ra t¿i điÅm0 cÿa điỏn ỏp nguòn

2.2.3 ĐiÁu khiÃn tÁi bi¿n áp

Khi đóng mạch, máy biến áp có thể phát sinh xung quá dòng, và giá trị xung này không chỉ ảnh hưởng đến thông số máy biến áp mà còn liên quan đến thời điểm kích và sự phát sinh một trồi cực đới Để tăng cường độ an toàn cho linh kiện bán dẫn, cần lắp thêm một mạch bảo vệ Sau khi đóng mạch, điện áp trên máy biến áp sẽ 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

Gúc kớch giÁm d¿n, t¿i chuòi xung thā hai và cỏc chuòi xung tiÁp theo gúc kớch cú giỏ trồ bằng 0

Hình 3.7: Bộ điều khiển công suất AC (W1) loại EFL tải biến áp

ĐIÂU KHIÄN GÓC PHA

3.1 Nguyên tÃc c¢ bÁn ĐiÃu chãnh dòng xoay chiÃu 1 pha và 3 pha bằng ph°¢ng pháp thay đái góc pha đ°ÿc áp dāng đÅ thay thÁ ph°¢ng pháp dùng tiÁp điÅm c¢ học VD: ĐiÃu khiÅn đỏ sỏng đốn, cỏc l*nhvực th°òng ỏp dāng ph°Âng phỏp này là:

- Thay đái tác đá đáng c¢ qu¿t gió

- Thay đái đá sáng đèn

- Thay thÁ các biÁn áp xoay

- Chãnh tác đá đáng c¢ v¿n năng

Quá trình chuyển mạch độc kích tại mời bọn kỳ của điện áp lưới, trong phương pháp này, gúc kích có một giá trị xác định trong mời bọn kỳ điện áp lưới, thay đổi góc kích sẽ làm thay đổi dòng điện hiệu dụng cũng như công suất trung bình trên tải từ 0% đến 100%.

Góc lách pha của xung kích tại điểm 0 của điện áp lưới được gọi là góc kích Điện áp rơi trên tải được ký hiệu là U3, phân biệt với điện áp lưới U Trong trường hợp đặc biệt khi góc kích bằng 0, điện áp rơi sẽ có những đặc điểm riêng.

VÃ nguyên tÃc góc kích á bán kÿ d°¢ng và bán kÿ âm đái xāng với nhau nh° trình bày á hình 3.11

Hình 3.11: Định nghĩa góc kích α

Nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu, trong các thiết bị điều khiển công suất một pha cũng như ba pha, không xảy ra quá trình chuyển tiếp Cụ thể, trong trường hợp hai thyristor ghép song song ngược chiều, dòng qua một thyristor sẽ giảm về 0 Sau khi kích thyristor nghịch, dòng sẽ trở lại sau một khoảng thời gian rất ngắn, với giá trị ngắn nhất là 0.

Náu một thiết bị điều chỉnh độc lập đang trong một hỏ tự động, thiết bị này phải có khả năng thay đổi công suất trung bình trên tái sao cho các điều lượng cần điều chỉnh như: Nhất đá, đá sáng hoặc tác đá đáng cân là hằng số và luôn luôn tăng dần với trồ số đặt trước.

3.2 So sánh giữa bá điÁu khiÃn công suÃt AC với bi¿n áp xoay Đián áp ra cÿa m¿ch điÃu chãnh và cÁ đián áp trên tÁi đÃu đ°ÿc quy đái thành công suÃt trung bình, công suÃt này không chã phā thuác vào góc kích mà còn phā thuác theo đặc tính cÿa tÁi ĐiÅm khác biát đÅu tiên giữa ph°¢ng pháp chãnh bằng biÁn áp và m¿ch đián tā là: ĐÅ giÁm công suÃt trên tÁi xuáng còn 0,5Pmax thì theo công thāc P = U 2 /R cho thÃy phÁi giÁm đián áp xuáng còn 70%, hình 3.12 trình bày ph°¢ng pháp điÃu chãnh dùng biÁn 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 trong trường hợp tái diễn tròn trái có dạng hình sin động và tần số góp đôi tần số lưới điện.

Trong phương pháp thay đổi góc pha, điện áp và dòng điện không còn là hình sin do không thể đo bằng đồng hồ vạn năng thông thường Thay vào đó, cần sử dụng đồng hồ có lưới thập điện hoặc đồng hồ só Hình 3.13 trình bày các dạng sóng đo bằng máy hiện sóng.

Hình 3.13a: Sơ đồ mạch điều khiển công suấtdùng 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

Trong phương pháp biến áp, khi công suất giảm còn 60%, cần phải điều chỉnh điện áp xuống còn 70,7% Đối với phương pháp thay đổi góc pha, điện áp cần giảm xuống còn 50% Công thức sau đây áp dụng cho biến áp xoay.

Công thức P = 0,707U cho thấy rằng 0,707Imax bằng 0,5Pmax Khi diện tích điện áp giảm còn 50%, góc kích thích sẽ là 90 độ Điều này khác với phương pháp biến áp dùng điện trong khoảng thời gian thyristor dẫn điện không bão hòa, dẫn đến diện tích công suất chỉ bằng 50% diện tích Pmax.

3.3 M¿ch điÁu khiÃn công suÃtAC tÁi đián trá

Trong thực tÁ phÅn lớn ký sỏ thā ba cÿa mỏt trồ sỏ th°òng chó cú ý ngh*a lý thuyÁt

VD: Giỏ trồ tớnh toỏn cÿa điỏn ỏpl°ới là 220V trong khi giỏ trồđo đ°ÿc là 223V

Sự sai lách giữa lý thuyÁt với thực tÁ là không thÅ tránh đ°ÿc vì do dung sai cÿa linh kián cũng nh° sai sá khi đo

Trong thực hành, việc sử dụng các đường đặc tính là rất phổ biến, mặc dù độ chính xác không cao nhưng vẫn đảm bảo tính nhất quán 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 Đ°òng đặc tớnh (a) là tó lỏ phÅn trăm giữa I ³ /I 0 = f(³) hoặc U ³ /U 0 = f(³), đ°òng đặc tớnh (b) biÅu diÅn quan hỏ P ³ /P 0 = f(³)

Trong nhiều trường hợp thông thường, áp lực có giá trị U = 220V, do đó đường biểu diễn (c) đặc trưng cho mối quan hệ U ³ = f(³) với U 0 = 220V Phương pháp này cho phép xác định kết quả một cách chính xác và nhanh chóng.

3.4 ĐiÁu khiÃn công suÃt AC tÁi đián cÁm

Trong trường hợp đặc biệt, tái tuần hoàn cảm tác là quá trình diễn ra trong thời gian dài, và có sự bán tái lá giữa năng lượng nhận và phát ra của điển cảm, khác với trong trường hợp tái tuần hoàn thông thường.

Trong trường hợp lý tưởng của một thyristor sau khi kích hoạt, dòng điện được duy trì ở mức IT = 0A Do đó, mạch điều khiển công suất xoay chiều có thể thay đổi góc kích trên tái điện cảm với giá trị ³ > 90° Để giải thích rõ điều này, trước tiên cần quan sát phạm vi kích 90° đến 180° Hình 3.15 và 3.16 trình bày lần lượt hai trường hợp đặc biệt tái thuần trở và tái thuần cảm Khi ³ = 0° (thuần trở) cũng như khi ³ = 90° (thuần cảm), toàn bộ dòng điện áp lới được đặt hắt lên tái, dòng và điện áp trên tái thuần trở đồng pha với nhau, trong khi với tái thuần cảm, dòng chậm hơn 90° do hiện tượng tích trữ năng lượng của điện cảm.

Tỉ lệ ³ = 120° giữa dòng điện và điện áp qua tái điền cảm không còn là hình sin, do dòng qua tái điền cảm luôn biến thiên mạnh Khi tỉ lệ ³ = 180°, điện áp đạt cực đại và chỉ số nằm trong khoảng từ 180° đến 270° Với điện áp có giá trị ổn định, thyristor đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển dòng điện Hình 3.16d cho thấy tích số P = U³.I³ thể hiện phân diện tích dương (nhận năng lượng) và phân diện tích âm (phúng năng lượng) có giá trị bằng nhau Hình 3.17 minh họa điện áp và dòng điện tạo nên tỷ lệ giữa hai thyristor khi ³ = 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 SUÂT ĐIÂU KHIÄN PHÀN KHÁNG

4 CÔNG SUÂT ĐIÀU KHIÂN PHÀN KHÁNG

Khác với các phương pháp điều khiển dòng điện xoay chiều và phương pháp điều khiển chuỗi xung, phương pháp thay đổi góc pha sẽ tạo ra mạch dòng điện không sin mặc dù điện áp lưới là hình sin Kết quả là công suất phản kháng vẫn tồn tại ngay cả khi tải là thuần trở, hiện tượng này vẫn xảy ra với các bậc biến đổi công suất có điều khiển.

4.2 Xỏc đồnh cụng suÃt phÁn khỏng trong m¿ch W1 tÁi thuÅn trỏ

Cụng suÃt phÁn khỏng cú thÅ đ°ÿc xỏc đồnh trong mỏt m¿ch thớ nghiỏm dùng bá thực tÁp chãnh l°u-biÁn đái 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 có mối quan hệ tỉ lệ thuận với nhau, điều này cũng áp dụng cho tái thuần hóa của mạch điện khi công suất AC Hình 3.28 trình bày đường đặc tính tần số với φ = 90 độ Áp dụng định luật Ohm cho mọi giá trị tác động của điện áp và dòng điện không hình sin.

Cụng suÃt tỏc dāng P tớnh tÿ cỏc giỏ trồ hiỏu dāng đo đ°ÿc U, I trong ph¿m vi kích 0 f ³ f 180 0

Hình 3.28: Dạng sóng mạch thí nghiệm W1

T¿i ngõ vào cÿa m¿ch điÃu khiÅn công suÃt AC là đián áp l°ới có d¿ng hình sin, nh°ng dòng xoay chiÃu trong m¿chl¿i không phÁi hình sin (I = I  )

Kết quả đo đạc ngõ vào của mạch cho thấy P < S = U.Iα, vì công suất biểu kiến lớn hơn công suất tác dụng Do đó, phải xuất hiện mát thành phần công suất phản kháng theo công thức.

Tại các góc kích ³ > 0°, dòng điện không còn hình sin, do đó việc tính toán giá trị hiệu dụng trở nên phức tạp Trong phương pháp toán học, người ta thường sử dụng định lý Fourier để phân tích dòng điện tuần hoàn này thành sóng cơ bản và các thành phần sóng hài Hình 3.29 trình bày kết quả phân tích tại góc kích ³ = 60° Trong hình, chúng ta chỉ quan tâm đến ba thành phần hình sin đầu tiên trong chuỗi phân tích Fourier I1, I2 và I3; nếu cộng ba thành phần này lại với nhau, sẽ tạo ra dòng điện có dạng gần đúng với thực tế.

ĐIÂU KHIÄN CÔNG SUÂT 3 PHA

Thành phần dòng điện I1 là sóng cơ bản có tần số bằng với tần số dòng tải Kết quả phân tích toán học cho thấy sóng hài có bậc càng cao thì biên độ của chúng càng nhỏ Trong trường hợp này, có các sóng hài bậc lẻ, với f1 = 50Hz thì f3 = 150Hz và f5 = 250Hz.

Vỡ dũng tái khụng hỡnh sinh nên dũng trên dõy dân s¿ t¿o nên nhiều súng hài bác cao trong l°ới điển hiển t°ÿng này đ°ÿc gọi là nhiòul°ới Hỏ sò cụng suất tỏng.

Hình 3.30 cho thấy sóng cắt bán I1 lách pha so với điện áp lưới U tại góc ϕ1, với hàm công suất tăng dần là cosϕ1 Điều này chứng minh rằng các sóng hài bậc cao không tạo ra công suất phản kháng, và riêng sóng cắt bán còn có thành phần công suất tác động có giá trị phụ thuộc vào góc kích thích.

Năng lượng tiêu hao của mạch sẽ bằng với công suất ra, tức là P = U.I Do đó, để xác định giá trị công suất và hiệu suất, ta cần áp dụng công thức P/S = U³.I³/U.I = U.I1.cosϕ1/U.I Từ đó, ta có thể suy ra rằng P = ằ.S và U³ = ằ.U.

5 ĐIÀU KHIÂN CÔNG SUÂT 3 PHA

Cũng giỏng nh° tr°òng hÿp cụng tÃc điỏn tā 3 pha, bỏ điÃu khiÅn cụng suÃt

Ba pha được tạo ra bằng cách ghép ba mạch điều khiển một pha với nhau, ký hiệu là W3 Để thay đổi công suất trung bình trên tất cả các mạch điều khiển công suất ba pha, áp dụng phương pháp thay đổi góc pha Các mạch này thường được sử dụng trong các thiết bị điều chỉnh nhiệt độ và điều chỉnh độ sáng.

Mạch điều khiển 3 pha đặc biệt yêu cầu phải thay đổi độc lập điện áp một chiều với giá trị rất lớn Phương pháp thực hiện là sử dụng máy biến áp có dòng tải cao kết hợp với mạch chánh lưu và dòng sạc cấp độc điều chánh bái mạch điều khiển công suất 3 pha.

Giải pháp điều khiển 3 pha với biến áp và chánh lưu mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với phương pháp chánh lưu sử dụng thyristor Hình 3.30 minh họa nguyên tắc hoạt động của hệ thống này Mạch điều khiển công suất 3 pha cũng được áp dụng trong các hệ thống truyền động điện, như thể hiện trong hình 3.31, cho thấy cấu trúc của một hệ thống điều khiển động cơ 3 pha với rotor lòng sóc.

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 KhÁo sát đián áp Điỏn ỏp ra cú thÅ xem là giỏ trồ hiỏu dāng phā thuỏc vào gúc kớch ³, đặc tính tÁi và cÃu trúc cÿa m¿ch điÃu khiÅn công suÃt 3 pha Tuy nhiên, dòng chÁy trờn dõy d¿n cú thÅ lớn hÂn, khụng chó ph°Âng phỏp tớnh toỏn giỏ trồ hiỏu dāng cÿa dũng và điỏn ỏp mà cÁ đò thồđiỏn ỏp ra cũng rÃt phāc t¿p

Hình 3.33 và 3.35 minh họa đò thồ biểu diễn áp ra của mạch điều khiển công suất 3 pha tái điện trở đầu tam giác (hình 3.32) và đầu sao (hình 3.34) tại góc kích 45 độ Hình 3.32 thể hiện mạch W3 được ráp theo dòng mạch B tái điện trở đầu tam giác, trong khi hình 3.33 mô tả dòng điện áp UUV tăng dần của hệ thống 3 pha tại góc kích 45 độ.

Hình 3.32: Điều khiển công suất 3 pha tải tam giác

Trong phạm vi góc kích thước ϕ1 đến ϕ2, điện áp trên tải UUV bằng với điện áp đầu vào UL1L2 Trong khoảng 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, trong khi dòng chảy qua tải RVW.

R WU vì góc kích bằng 45 0 nên V3 không đ°ÿc kích cho đÁn khi góc kích bằng ϕ 3 , đián áp là UL1L3là đián áp điÃu khiÅn và :

Khi V3 được kích tới φ3, điện áp U UV bằng điện áp dây U L1L2 Đối với φ4, V1 tắt và U UV = U L3L2 / 2 Tiếp theo, tại φ5, V2 được kích và trong khoảng φ5 - φ6, điện áp U UV = U L1L2 Quá trình tác tác và kết quả nhấn được thực hiện như sau:

Mỏt chu kÿ mới bÃt đÅu tÿ thòi điÅm ϕ 9 = ϕ 1 , tÿ hỡnh 3.32 và 3.33 suy ra tr°òng hÿp tÁi thuÅn trỏ đÃu sao khụng cú dõy trung tớnh

Hỡnh 3.34 trỡnh bày s đò m¿ch điÃu khiÅn W3 tÁi thuÅn trỏ đÃu sao, vỡ là d¿ng m¿ch Bnên chã có dòng qua tÁi khi có ít nhÃt 2 bá W1 d¿n đián

Hình 3.33: Dạng sóng điện áp trên tải

Hình 3.34 minh họa điều khiển công suất của tải thuần trở đấu sao, trong khi hình 3.35 trình bày giá trị U U tải gốc với góc kích 45 độ Các điện áp pha U UN, U WN, U VN và U WN được thể hiện rõ ràng trong sơ đồ.

Do cú thòi gian trỡ hoón khi kớch nờn trong ph¿m vi gúc kớch ϕ 0 -ϕ 1 , ϕ 6 -ϕ 7 và ϕ 12 -ϕ 13 đián áp trên tÁi bằng 0V

Trong các khoảng ϕ 1 -ϕ 2, ϕ 3 -ϕ 4, ϕ 5 -ϕ 6, ϕ 7 -ϕ 8, ϕ 9 -ϕ 10 và ϕ 11 -ϕ 12, điện áp pha UL1N được phân chia trên điện trở tải với UU = UL1N Điện áp đặc biệt được phân chia trong các khoảng thời gian ϕ 2 -ϕ 3, ϕ 4 -ϕ 5, ϕ 8 -ϕ 9 và ϕ 10 -ϕ 11, do trong môi trường có 2 bỏ W1, dẫn đến 50% điện áp dây rơi trên điện trở tải.

Hình 3.35: Dạng sóng điện áp trên tải

5.3 Đ°òng đặc tớnh điÁu khiÃn Đỏi với d¿ng s đò A, đặc tớnh điÃu khiÅn cÿa m¿ch điÃu khiÅn cụng suÃt

AC trong hình 3.19 cũng áp dāng đ°ÿc cho m¿ch điÃu khiÅn công suÃt 3 pha

Hình 3.36 minh họa đặc tính mạch điều khiển công suất 3 pha theo sơ đồ B Hình ảnh cho thấy giới hạn của phạm vi điều khiển tại ³ = 150 0 với tải bắt đầu, và tại các giá trị ³ g 150 0 thì không có dòng điện chạy qua, do đó tại các thời điểm kích cỡ của mỗi van các van khác đầu không dẫn.

ĐIÂU KHIÄN CÔNG SUÂT MàT CHIÂU

Tái điển cám có ảnh hưởng đến mạch điều khiển công suất AC, đặc biệt khi góc ϕ đạt 90 độ Hiện tượng này gây ra năng lượng tiêu thụ trong tái bắt chấp điện áp trên anode-cathode, ảnh hưởng đến van dẫn điện khi dòng thuần qua nó bằng 0.

6 ĐIÀU KHIÂN CÔNG SUÂT MàT CHIÀU

Điều khiển công suất DC chủ yếu liên quan đến việc biến đổi DC Trong lĩnh vực này, biến đổi không chỉ đơn thuần là thay đổi điện áp mà còn bao gồm việc điều chỉnh điện áp đầu ra U2 thấp hơn điện áp đầu vào U1 thông qua mạch van bán dẫn Chức năng chính của bộ điều khiển công suất DC là chuyển đổi năng lượng từ một nguồn DC sang năng lượng DC với điện áp khác, đồng thời đảm bảo tiêu hao năng lượng ở mức tối thiểu.

6.2 ĐiÁu khiÃn công suÃt DC bằng transistor

Để thực hiện phương pháp này, việc không sử dụng transistor có thể tạo ra những ứng dụng độc đáo trong việc phân tán tác động liên tục trong mạch điều khiển công suất DC.

Việc sử dụng vi mạch điều khiển DC với transistor và mạch chỉnh lưu là rất quan trọng trong một bộ nguồn cấp điện Tuy nhiên, phần này sẽ không tập trung vào các mạch điều khiển công suất DC đóng/ngắt.

6.2.2 ĐiÁu khiÃn công suÃt DCđóng/ngÃt

Transistor chẽ cho phép làm việc với điện áp và dòng điện thấp, do đó chúng có thể được sử dụng để chế tạo các bộ điều khiển công suất với tải khoảng 10 KW.

- Hỡnh 3.38 trỡnh bày s đò khỏi mỏt m¿ch điÃu khiÅn cụng suÃt DC dựng transistor nh° 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 linh kiện quan trọng vì nó giúp giảm áp cám ứng cho transistor khi tắt Tuy nhiên, năng lượng lưu trữ trong tụ điện có thể cung cấp cho transistor 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 dũng điển vật lý xảy ra tại thời điểm transistor bắt đầu dẫn do dòng qua V20 giảm nhanh và càng thêm với dòng tái Điều này giảm thiểu sự gia tăng dũng tái khi transistor chuyển sang dẫn phía dựng diode tác động cao với thời gian hồi phục ngắn nhất Một cuộn cảm lưới ferrite cũng thường được thêm vào cực phát của transistor công suất để giảm thiểu biến thiên dòng điện.

6.3 ĐiÁu khiÃn công suÃt DC dùng thyristor

Thyristor không thể điều khiển trực tiếp như transistor, vì nó không có khả năng tắt khi đã đóng Trong các ứng dụng điều khiển DC, thyristor thường được sử dụng để điều chỉnh điện áp một chiều, như minh họa trong hình 3.40 Việc sử dụng điện áp ra U2 và dòng tải là rất quan trọng trong các công tắc DC.

Iloadđ°ÿc trình bày á 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 mỏt cụng tÃc đ°ÿc đúng/ngÃt liờn tāc thỡ giỏ trồ trung bỡnh cÿa điỏn ỏp ra s¿ bồ giÁm

Trong ph°¢ng pháp thay đái bà ráng xung, chu kÿ T đ°ÿc giữ không đái trong khi thòi gian đúng tPthay đỏi (hỡnh 3.42)

Mặt khỏc, trong ph°Âng phỏp điÃu khiÅn chuòi xung thỡ thòi gian đúng đ°ÿc giữ cỏ đồnh nh°ng chu kÿ T thỡ thay đỏi (hỡnh 3.43)

Nguyên tÃc giÁm đián áp đ°ÿc mô tÁ bằng các đián áp U1 và U2á hình 3.42 và 3.43 trong đó U1là đián áp vào cÿa m¿ch điÃu khiÅn

Biên đá cÿa đián áp ra luôn giữ hằng số, không phụ thuộc vào biên đá cÿa điỏn ỏp vào Giá trị trung bình của điỏn ỏp ra U2 phā thuỏc trực tiếp vào tỉ số giữa thời gian và thời gian ngắt.

Hình 3.42: Nguyên tắc điều khiển bề rộng xung

Hình 3.43: Nguyên tắc điều khiển chuỗi xung

Vỡ khụng cú dũng điỏn chÁy tÿ nguòn chÁy trong khoÁng thòi gian ngÃt nờn, các m¿ch điÃu khiÅn lo¿i này có tán hao thÃp và hiáu suÃt cao Các m¿ch điÃu khiÅn này còn được gọi là bá biÁn đái xung hoặc bá băm Đối với tái điỏn cÁm cú hằng sỏ thòi gian t°Âng đỏi lớn, cần thiết phải thêm diode thoát dòng.

Hình 3.44: Sơ đồ khối mạch điều khiển công suất DC dùng Thyristor

Hình 3.45: Dạng sóng điện áp và dòng điện

M¿ch điÃu khiÅn cụng suÃt DC th°òng đ°ÿc dựng đÅ cÃp nguòn cho đỏng c¢ đián ví dā nh° các xe ch¿y bằng đián

Chu kỳ đúng/nghịch của mạch điều khiển DC ảnh hưởng đến thời gian tái tạo không chỉ với tái điện cảm mà còn với các loại tái tích cực khác Do đó, luôn cần có diode thoát dòng cho tái điện cảm, vì dòng điện tái sẽ không bằng 0 ngay cả trong khoảng thời gian van không dẫn điện.

6.4 Các ph°¢ng pháp điÁu khiÃn công suÃt DC

Nh° đó núi ỏ phÅn trờn, giỏ trồ trung bỡnh cÿa điỏn ỏp ra DC là mỏt hàm theo tã sá xung

Trong phÅn này s¿ khÁo sát chi tiÁt h¢n và các ph°¢ng pháp điÃu khiÅn áp dāng trong thực tÁ

6.4.1 Thay đái bÁ ráng xung

Phương pháp này thay đổi biên độ xung mà vẫn giữ nguyên chu kỳ, do đó tần số xung cũng không thay đổi Quan hệ giữa các giá trị tối thiểu và tối đa được thể hiện như sau: min max min.

T trong bài viết này đại diện cho tPmax, trong khi tPmin phụ thuộc vào đặc tính của van bán dẫn trong mạch Nếu U2max gần bằng U1, thì sự nhận diện sẽ có những thay đổi đáng kể.

Víi f T 1 ý 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, bã rong xung được giữ cố định, thời gian không có xung thay đổi, do đó chu kỳ cũng như tần số sẽ không thay đổi.

Ph°Âng phỏp thay đỏi tÅn sỏ cũn gọi là điÃu khiÅn chuòi xung khụng cÅn kā thuÁt cao

Với ph°¢ng trình t P f 1 max  và xt P

2 min ý suy ra dÁi tÅn sá ho¿t đáng

Ngõ ra điều khiển đạt giá trị tối đa fmax khi tP gần bằng T Giá trị tối thiểu fmin được xác định tại điểm áp ra nhỏ nhất cho phép U2min, trong khi băng tần xung tP với điểm áp vào là U1.

ĐiÃu khiÅn cụng suÃt dựng Thyristor với vũng hòi tiÁp

tā lọc h¢n hÅu hÁt là các cuán cÁm đÃt tiÃn đÅ bÁo đÁm sự liên tāc cÿa dòng đián

Hình 3.46b: Phương pháp thay đổi tần số

Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong các hệ thống điều khiển dòng tải, đảm bảo thời gian chính xác và ngắt mạch kịp thời khi dòng điện vượt quá giới hạn cho phép Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ giải thích nguyên lý hoạt động của một mạch điều khiển công suất DC sử dụng transistor theo phương pháp này.

Hình 3.47: Phương pháp điều khiển kết hợp

7 ĐiÁu khiÃn cụng suÃt dựng Thyristor với vũng hòi ti¿p

Thí nghiệm các mạch điều khiển DC sử dụng thyristor GTO yêu cầu một thiết bị đặc biệt bằng cách kết nối các thyristor thông thường ở phía cathode Trong trường hợp này, năng lượng được tạo ra từ một điện dung kết hợp Tuy nhiên, do thời gian tắt cần phải ngắn, nên mạch điện phải mở rộng thêm một khoảng nhỏ gọi là khâu hồi tiếp.

Hỡnh 3.48 trỡnh bày s đò m¿ch điÃu khiÅn cụng suÃt DC với vũng hòi tiÁp ho¿t đỏng ỏ tÅn sỏ cỏ đồnh là 100Hz

Hình 3.48: Sơ đồ mạch điều khiển DC

Dòng sóng điện áp và dòng điện tăng ảnh hưởng đến hệ thống Để đạt được điều này, cần giao hoán C phải được nạp đầy bằng cách đưa xung kích vào V2 tại thời điểm t0, sao cho Uc = Ud ≈ U1.

Hình 3.49: Quá trình đóng mạch Đái với quá trình ngÃt m¿ch, cực tính này phÁi đ°ÿc đÁo chiÃu sao cho UC

= -Ud≈ U1 Quá trình này tự đáng xÁy ra ngay khi thyristor chính đ°ÿc kích.

BIÀN ĐàI CễNG SUÂT Cà ĐọNH

KHÁI NIàM C¡ BÀN

Nhu cầu sử dụng điện một chiều ngày càng tăng, đặc biệt là trong các máy phát điện, dẫn đến việc áp dụng các diode silicon trong các mạch điện áp phân sau để làm van chặn lưu Các thiết bị này thường gặp các giá trị dòng điện lớn và điện áp nghịch cao, do đó cần thiết phải có thiết kế phù hợp để đảm bảo hiệu suất và an toàn trong hệ thống điện.

Điện áp ra của các mạch chọn lọc không phụ thuộc vào thời gian mà có sự thay đổi theo xung một chiều, được gọi là điện áp hàm hình Điện áp này có thể được đo bằng các thiết bị đo điện (trở trung bình) hoặc thiết bị đo điện tử (hiểu dạng) Nếu sử dụng các thiết bị có chọn lọc (VOM), thì hình dạng dòng điện áp đo phải được tính toán, điều này là cần thiết vì thang đo của loại thiết bị này được khắc rõ theo hiểu dạng, với giá trị chọn giỏ là F = 1,11 (IFAV≠ IFRMS).

Với điỏn ỏp và dũng DC cú d¿ng xung, sự sai biỏt giữa trồ trung bỡnh với trồ hiáu dāng là kÁt quÁ cÿa sóng hài

GiÁ sā = 0W đái với m¿ch chãnh l°u lý t°áng do đó ứ ự ứ ự ý 1 ý ý

KÁt quÁ là P(AC) = P(DC) ĐiÃu này cũng đ°ÿc chāng minh trực tiÁp bằng cỏch dựng thiÁt bồ đo kiÅu đián đáng

Hình 4.1: Sơ đồ mạch chỉnh lưu lý tưởng với đồng hồ đo công suất P = P m

Tÿ hình 4.1, công thāc tính công suÃt chãđúng trong biÅu thāc sau :

Pm = Um x Im > Ud x Id

Công suất mát chiếu Pm lớn hơn công suất mát chiếu Pd, và nếu công suất d° Pex được xác định, nó sẽ tạo ra bãi thành phần gây sóng hoặc bãi các sóng hài.

P = Pm = Pd + Pex = Ud x Id + U 2 gs x

Trong tr°òng hÿp lý t°ỏng thỡ Ugs = 0V thỡ P = Ud x Id

1.3 Xỏc đồnh điỏn ỏp gợn Điỏn ỏp gÿn súng đ°ÿc đồnh ngh*a là giỏ trồ hiỏu dāng cÿa cỏc súng hài õ ý Y gs U

MắCH CHõNH L¯U BÁN Kỵ (M1)

Trong l*nh vực đián tā công suÃt, m¿ch này không quan trọng lÃm do m¿ch có nhiÃu đặc điÅm không phù hÿp với các m¿ch biÁn đái công suÃt

Trong hình 4.2, do không có điều khiển độc lập, van V10 không bắt đầu dẫn khi điện áp anode cao hơn cathode, dẫn đến hiện tượng này diễn ra trong suốt chu kỳ của điện áp xoay chiều và tạo ra dòng mát chạy ngang qua tải Rload Khi giá trị rF rất nhỏ so với Rload, điện áp u(a.c) sẽ bằng u(d.c) tại mọi thời điểm trong chu kỳ Trong khoảng thời gian chu kỳ mà Rload rất nhỏ so với RR gần như vô cực, mạch không dẫn và điện áp u bằng -UAK.

Hình 4.2: Mạch chỉnh lưu bán kỳ (M1)

Trong hỡnh 4.3 giỏ trồ tāc thòi cÿa điỏn ỏp mỏt chiÃu ỏ ngừ ra đ°ÿc trỡnh bày đÅy đÿ và điỏn ỏp xoay chiÃu đ°ÿc biÅu diònbằng đ°òng đāt nột

Hình 4.3: Điện áp DC ngõ ra và điện áp AC ngõ vào của mạch chỉnh lưu bán kỳ

Trong thực tÁ, trồ trung bỡnh cÿa điỏn ỏp DC ỏ ngừ ra rÃt quan trọng, đỏi với m¿ch M1 giỏ trồ này đ°ÿc tớnh nh° sau:

Trong mạch M1, điện áp DC xuất hiện trong mạch bán kín có thể gây ra các dòng điện cao không liên tục trên tải điện trở Trong nhiều ứng dụng, điện áp công suất cần phải tránh những khoảng thời gian không có điện như thế Thông thường, kỹ thuật chỉnh lưu sẽ không có ý nghĩa Bởi vì với tải lớn, cần phải có điện dung rất lớn, nên trong các mạch biến đổi công suất, dòng điện được làm phẳng bằng cuộn cảm Điện áp nghịch UDmax đặt lên diode bằng với điện áp xoay chiều đầu vào.

2.3 Sò xung và hỏ sò gợn súng

Sá xung p là hiện tượng xảy ra trong mạch điện khi áp DC xuất hiện đồng thời với điện áp nguồn AC Trong mạch chính lưu, giá trị p = 1 và có một xung xuất hiện dưới dạng sóng sin trong mỗi chu kỳ Trong mạch chính, khi không có điện áp, điện áp lớn này biểu thị điện áp gần giống với sóng điện áp DC trong mạch chính lưu.

Xỏc đồnh hỏ sò gợn súng w

Với điỏn trỏ cú trồ sỏ 100 W nỏi vào nguòn xoay chiÃu cú U = 220V, cụng suÃt r¢i trên đián trá là

NÁu bõy giò nỏi điỏn trỏ này vào cựng điỏn ỏp nh° trờn và nỏi tiÁp với mỏt diode thì chã có 50% công suÃt là 242W r¢i trên đián trá

Công suÃt mát chiÃu đ°ÿc tính nh° sau

Trong tr°òng hÿp này, cụng suÃt sai biỏt hoặc cụng suÃt d° là

Tÿ đó suy ra đián áp gÿn sóng

Há sá gÿn sóng cÿa m¿ch

Mát cách táng quát và thành phần DC độc cung cấp bái mát mạch biến đái công suất đặc tạo nên từ các thành phần như van cán Các van này được nối với nhau qua anode hoặc cathode, và số lượng các mạch nhánh này còn được gọi là số mạch Sáu mạch ở đây phải là 1.

Dòng đián thành phÅn trong m¿ch nhánh bằng với dòng thuÁn trung bình ID cÿa mỏt diode (trÿ tr°òng hÿp cỏc diode nỏi song song với nhau)

Trong m¿ch chónh l°u bỏn kÿ, thòi gian dũng điỏn chÁy qua diode θ = 180 0 trong suát mát nāa chu kÿ T/2

Vì đái với tÁi thuÅn trá, dòng Id và đián áp mát chiÃu Ud quan há với nhau bỏi đồnh luÁt ohm, cú ngh*a là Ud = Id x Rload

NÁu bao gòm biÁn ỏp nh° ỏ hỡnh 4.5 khi khÁo sỏt dũng điỏn s¿ phỏt sinh mát mâu thu¿n Ngay cả khi trong biÁn áp không có tán hao và tã sá biÁn áp r = 1, thì giá trị hiỏu dāng bờn s cÃp Imains cũng nhò hÂn trồ hiỏu dāng dũng thā cÃp I ĐiÃunày đ°ÿc giÁi thích tÿ hình 4.4.

Hình 4.4: Dòng thứ cấp I trong mạch chỉnh lưu bán kỳ tải thuần trở

Dũng vào cÿa m¿ch bao gồm thành phần DC và AC, nhưng biến áp không hoạt động với dòng xoay chiều Thành phần mát chiếu có thể gây cháy bền cuốn, do đó cần chú ý đến việc tạo nên từ trường một chiều trong lưới thộp.

Trong trường hợp lý tưởng, độ thô dũng sâ cấp Imains có thể được xác định bằng cách dịch chuyển trắc thời gian của dũng hòn hợp thâ cấp I Điều này cần thiết để diện tích phần dâng và âm của dũng điển theo thời gian bằng nhau Tuy nhiên, trong thực tế, kết quả nhận được như trình bày trong hình 4.5.

Hình 4.5: Dạng dòng điện sơ cấp của mạch chỉnh lưu M1 tải thuần trở

Trong khoảng thời gian bón kỳ đọng, cụng suất đã truyền sang bờ bên cao cấp Mặt khác, năng lượng thủy hóa biến áp đã tạo nên bãi mát xung dòng cao trong khoảng thời gian bón kỳ ấm của điện áp.

Há sá gÿn sóng w (hình 4.4) là 121%, dòng xoay chiÃu s¢ cÃp trong điÃu kián lý t°áng là: d mains I

2.5 KhÁo sát công suÃt Đái với đián áp và dòng đián DC lý t°áng, công suÃt DC đ°ÿc tính theo công thāc

Tuy nhiên, khi đián áp DC có d¿ng xung

Pm = Um x Id ĐiÃu này đó đ°ÿc chāng minh trong tr°òng hÿp khụng cú tỏn hao, giỏ trồ này bằng với công suÃt xoay chiÃu P

Công suÃt biÅu kiÁn S bên cuán thā cÃp d d d d d I U I P

Với tã sá biÁn áp là r, công suÃt ngõ vào là d d d d m ains m ains m ains U I P r

CHâNH L¯U TOÀN Kþ

Mạch chỉnh lưu gồm hai dạng: mạch chỉnh lưu biến áp có điểm giữa và mạch chỉnh lưu dùng cầu diode Khác với chỉnh lưu bán kỳ trong mạch chỉnh lưu toàn kỳ, dòng chỉnh lưu vẫn tồn tại trong khoảng thời gian bán kỳ ấm của lưới điện Điện áp lưới có thể đưa trực tiếp vào mạch chỉnh lưu cầu mà không cần qua trung gian biến áp Đây cũng là lý do khiến mạch chỉnh lưu cầu được sử dụng phổ biến trong thực tế.

3.2 Chãnh l°u toàn kÿ dùng bi¿n áp có điÃmgiữa (M2)

Phân tán cáp bán trong mạch M2 là mạch biến áp có điểm giữa bên cuốn thứ cấp, như trình bày trong hình 4.6 Mạch này bao gồm hai mạch M1 ghép song song với nhau.

Hình 4.6: Mạch chỉnh lưu toàn kỳ M2

Cuán thā cÃp đ°ÿc xem nh° là cuán dây 2 pha với các đián áp pha là u21 và u22 Đián áp giữa hai pha này là

Với u 21 ý 2 U 2 sin  t (V) t U u 22 ý  2 2 sin  (V) Đián áp mát chiÃu á ngõ ra bằng 2 lÅn so với khi dùng cuán dây 1 pha ứ ự V U

Điện áp trên các diode thường gấp đôi, với đặc điểm là các diode có điện áp cố định và có thể kết nối trực tiếp trên các cực của tòa nhiệt Trong hình 4.7, điện áp DC được xác định bởi đường liên tác, trong khi điện áp xoay chiều giữa hai pha được thể hiện qua đường đát nột.

Hình 4.7: dạng điện áp trong mạch M2

3.3 Chãnh l°u toàn kÿ dùng cÅu diode (B2)

Mạch cầu B hoặc B2 được xem như mạch cầu 1 pha Trong thực tế, các mạch chính lưới thường được áp dụng phù hợp với yêu cầu của từng loại.

Mạch B2 có những ưu điểm nhưng cũng tồn tại nhược điểm, đặc biệt là điện áp thuần bồ giảm nhiều hơn trên hai diode V10 và V40, cũng như trên V20 và V30, do các cặp diode đặc biệt này được kết nối gần nhau khi hoạt động.

Theo hình 4.8, V10 và V40 dẫn điện trong khoảng thời gian bão hòa, trong khi V20 và V30 dẫn điện trong khoảng thời gian bão hòa của điện áp lưới Nếu không đánh dấu điện áp rơi trên các diode, ta có thể thấy sự khác biệt trong đặc tính dẫn điện của chúng.

Ud = U2 – 2UD NÁu điỏn ỏp mỏt chiÃu cú giỏ trồ cao, cú thÅ xem gÅn đỳng

Hình 4.8: Mạch chỉnh lưu cầu B2

Hình 4.9: Dạng sóng điện áp trong mạch B2

Do dũng điỏn DC cú mặt trong cÁ hai bỏn kÿ nờn trồ sỏ cÿa dũng này đ°ÿc tính nh° sau

Tÿ công thāc suy ra

- Giỏ trồđiỏn ỏp ng°ÿc lớn nhÃtđặt trờn diode là

Giỏ trồ này đ°ÿc dựng đÅ tớnh chọn diode

3.3.2 Sò xung và hỏ sò gợn súng

Theo hình 4.9 cho thÃy trong mát chu kÿ đián áp l°ới có hai xung đián áp

DC do đú sỏ xung p = 2 Với cos ϕ = 1, 100% cụng suÃt biÁn đỏi trong tr°òng hÿp này là load m ixed x R

Há sá gÿn sóng trong m¿ch B2

Dòng điện mạch Id chảy luân phiên qua hai mạch nhánh, với số lượng chuyển mạch q = 2 Chuyển mạch là quá trình thay đổi chiều dòng điện từ nhánh này sang nhánh khác với cùng mức điện áp Dòng điện trong hai nhánh cũng bằng nhau Dòng điện trung bình Id qua diode bằng nửa dòng tải Id load.

Sā dāng các kÁt quÁ á trên, U = 1,11 x Ud và I = 1,11 x Id đÅ tính công suÃt biÅu kiÁn

S = U.I = 1,11.Ud 1,11.Id = 1,23.Pd Khi có biÁn áp công suÃt này là công suÃt biÅu kiÁn bên s¢ cÃp

Và ph°¢ng pháp thiÁt kÁ °ớc l°ÿng máy biÁn áp ứ mains ự d

Do đó, hÅuhÁt các m¿ch B2 đÃu có máy biÁn áp

3.4 Chãnh l°u toàn kÿ tÁi đián cÁm

Trong lĩnh vực điện tử, cụm suất tái thường gặp là loại trở kháng với các loại dòng điện, sắp được trình bày ở hình 4.8 Trong đó, điện trở tái đặc thay thế bại tái âm kháng, do năng lượng tích trữ trong cảm kháng có tác dụng san phẳng dòng điện Khi dòng mát chiếu qua diode, sẽ biến đổi từ dạng sin tại cảm kháng L = 0H sang hình vuông khi cảm kháng tăng lên (hình 4.10).

Loại tải này cho hệ số gần sóng điện áp là w = 48,3%, nhưng hệ số gần sóng dòng điện là 0% Dòng điện mát chịu lý thuyết là I mixed = Id Do đó, công suất biểu kiến bên tải có đặc tính như sau:

Hình 4.10: a Điện áp DC khi p =2 b Dòng DC I d với dòng diode i v10 = i v40 (đường liên tục) và i v20

=i v30 (đường đứt nét) c Dòng vào xoay chiều có dạng hình vuông

CHâNH L¯U 3 PHA

Các bá chãnh l°u công suÃt lớn đ°ÿc thiÁt kÁ đÅ phāc vā yêu cÅu kÁt nái với há tháng 3 pha

Sau đõy là mỏt vài m¿ch đ°ÿc ỏp dāng trong thực tÁ, gòm cỏc m¿ch chónh l°u 3 pha và 6 pha

4.2 M¿ch chãnh l°u 3 pha bán kÿ (M3)

Mạch chánh lưu 3 pha đèn gián nhất là mạch M3, trong đó ba van bán dẫn được lắp đặt vào ba pha L1, L2 và L3 Vì các cathode của ba van có cùng điện áp, chúng tạo thành một điểm chung, từ đó tái đặc nối với dây trung tính của biến áp Do đó, cuộn thứ cấp của biến áp phải đầu sao để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

Hình 4.11: Mạch chỉnh lưu 3 pha M3

Diode chỉ dẫn điện khi điện áp anode lớn hơn điện áp cathode Hình 4.12b minh họa rằng diode V10 dẫn điện trong khoảng thời gian từ t1 đến t2, khi điện áp UL1N đạt giá trị tối đa (hình 4.12a) Tuy nhiên, tại thời điểm t2, tình hình sẽ thay đổi.

Dòng điện UL2N hoạt động hiệu quả hơn UL1N và van V20, do sự chuyển đổi điện áp từ V10 sang V20 Sự thay đổi giá trị điện áp của lưới điện dẫn đến mạch chính lưu được gọi là mạch biến đổi chuyển mạch lưới Hình 4.12b cho thấy điện áp mát chiếu Ud không giảm xuống 0, vì quá trình chuyển mạch diễn ra trong khoảng thời gian 120 giây.

Điện áp xung Ud có giá trị thấp nhất tại sin30° = 0,5, do đó điện áp gần súng là Ugs = 0,5.upha Vì vậy, giá trị trung bình của điện áp DC cũng cao hơn so với các mạch chánh lưu ở các phần trên.

Hình 4.12: a Điện áp pha U L1N và U L3N b Điện áp ra một chiều c Điện áp trên diode V20 pha pha pha d u U U

Trong m¿ch M3, điỏn ỏp nghồch đặt lờn mòi diode là điỏn ỏp sai biỏt tāc thòi giữa cỏc pha cÿa cỏc diode đang d¿n và khụng d¿n

Suy ra giỏ trồđónh cÿa điỏn ỏp nghồch nh° sau : pha pha pha

4.2.2 Sò xung và hỏ sò gợn súng ỏp pha và cũng cú 3 khỏi điỏn ỏp trong mòi chu kÿ Do đú, sỏ xung p = 3

Hỏ sỏ gÿn súng trong tr°òng hÿp này cũng nhò hÂn trong m¿ch chónh l°u toàn kÿ 1 pha w = 18,3%

Giỏ trồ này rÃt khú xỏc đồnh bằng ph°Âng phỏp đo

Hình 4.13: Dòng điện qua các diode trong mạch M3 a Trường hợp ý 0

Dòng đián trung bình sau chãnh l°u là d ý

Trong kā thuÁt 3 pha, công suÃt biÅu kiÁn bên thā cÃp cÿa m¿ch M3 là d d d I P

Dòng đián bên s¢ cÃp là d d m ains I I

Tÿ ph°¢ng trình trên d¿n đÁn kÁt quÁ d d d m ains m ains m ains U I U I P

Công thāc sau đây đ°ÿc dùng đÅ thiÁt kÁ máy biÁn áp ứ mains ự d

Mạch chỉnh lưu có ưu điểm và hạn chế riêng, trong đó mạch chỉnh lưu cầu 3 pha, còn được gọi là mạch 6 pha B6, nổi bật với khả năng hoạt động hiệu quả Không giống như mạch M3, mạch B6 không cần biến áp đầu vào, cho phép tiết kiệm chi phí và không gian Mạch chỉnh lưu B6 có thể được xem như là sự kết hợp giữa mạch M3 cathode chung và mạch M3 anode chung, mang lại hiệu suất cao hơn trong nhiều ứng dụng.

Hình 4.14: Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha

Trong hỡnh 4.15 Điỏn ỏp mỏt chiÃu cÿa 2 m¿ch M3 là đ°òng bao cÿa điỏn ỏp ba pha, do cỏc giỏ trồ đónh chuyÅn vồ trớ cho nhau mòi 60 0 hoặc

T sự t°¢ng tác giữa hai đián áp t¿o ra mát nhóm 6 xung có ngh*a là p = 6

Hình 4.15: a, b) Đường bao của điện áp 3 pha c) Điện áp DC trong mạch B6 là hiệu giũa 2 điện áp DC trong mạch M3

Trong môi trường hẫp, hai chòm điện áp của B6 xuất hiện trong vùng 2 biển đỏ của các điện áp M3 riêng biệt, với các chòm điện áp này lệch 30 độ so với các đỉnh điện áp M3 (hình 4.15c).

Công thāc sau đ°ÿc áp dāng

Trong các tính toán gần đúng, hàm số gần súng w = 4,2% rất nhỏ trong mạch B6 có thể bị bỏ qua do giá trị này rất khó nhận ra bởi các thiết bị đo thực tế Điện áp trung bình của mạch B6 là: pha pha d x u x u.

Thòi điÅm kớch cỏc diode sau 30 0 kÅ tÿ giỏ trồ 0 cÿa điỏn ỏp pha hoặc 60 0 so với giỏ trồ 0 cÿa điỏn ỏp dõy t°Âng āng Thòi gian d¿n dũng là 120 0

Trong mạch điện có hai diode nối tiếp, các tài liệu thường chỉ ra rằng nhóm chuyển mạch B2 và B6 có s = 2, cho thấy sự liên kết giữa mạch M và các diode này Thời gian dẫn của một diode (60°) cho thấy sự chuyển tiếp giữa các diode trong nhóm chuyển mạch thứ hai, tạo ra điện áp đặc trưng như trong hình 4.15c Tại thời điểm t1, điện áp U LN1 đạt giá trị tối đa trong chu kỳ với mạch M3 có cathode chung Tại thời điểm t2, diode V60 được xem như nối tiếp và tại t3, diode V20 bị loại bỏ Với cấu trúc mạch như trên, điện áp nghịch cực bằng với giá trị điện áp dương của điện áp dây.

Trong tr¿ng thỏi xỏc lÁp, dũng xoay chiÃu trong cuỏn thā cÃp cú giỏ trồ d d I

2 ý ý ĐiÃunày đ°ÿc chã rõ trong hình 4.16đái với cuán 1 cÿa biÁn áp

Hình 4.16: Dòng điện dây bên thứ cấp ở pha 1, phần dương qua V10 và âm qua

Dòng điện xoay chiều chạy qua cả hai cuộn trong biến áp, vì vậy công suất biểu quân không phụ thuộc vào tả sát biến áp và kiểu đầu dây Trong thực tế, điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế và ứng dụng biến áp.

BÀI 5: BIắN ĐàI CễNG SUÂT Cể ĐIÀU KHIÂN

Khi diode được sử dụng trong các mạch biến đổi công suất, nó không có khả năng điều chỉnh điện áp ra của mạch Tuy nhiên, khi thay thế diode bằng thyristor, có thể thiết lập mối quan hệ giữa điện áp ra và góc kích của thyristor, được gọi là biến đổi công suất điều khiển.

Trong trường hợp mạch chỉnh lưu, có thể thay thế một số lượng diode bằng thyristor Đặc tính của các mạch biến đổi công suất sẽ phụ thuộc vào các diode trong mạch Các mạch này được chia thành hai loại: điều khiển bán phần và điều khiển toàn phần Đối với tất cả các mạch biến đổi, thời điểm kích thyristor được đặc trưng bởi góc kích α Giá trị trung bình của điện áp DC tại ngõ ra được ký hiệu là.

Ud  Khi ³ = 0 0 đặc tớnh m¿ch giỏng nh° m¿ch biÁn đỏi cỏ đồnh, điỏn ỏp t¿i ³ 0 0 ký hiáu là Ud0

NÁu cỏc thyristor đ°ÿc kớch trò hÂn (³ > 0 0 ), điỏn ỏp DC ngừ ra Ud  cÿa m¿ch s¿ giÁmxuáng

Do đặc tính của thyristor cho phép điều chỉnh dòng điện tốt, khi hoạt động ở chế độ tắt, nó duy trì dòng điện thấp hơn mức duy trì Điều này ảnh hưởng đến đặc điểm tái tạo ánh sáng và điện áp ra Uda.

Vì vÁy trong các phÅn sau đây s¿ nghiên cāu m¿ch biÁn đái với tÁi đián trá, điỏn cÁmvà tÁi hònhÿp

2 BIắN ĐàI CễNG SUÂT BÁN PHÄN

2.1 Đ¿i c°¢ng ĐÅ dò hiÅu và bỏ biÁn đỏi điÃu khiÅn đ°ÿc, quỏ trỡnh khÁo sỏt s¿ tÁp trung và lo¿i m¿ch điÃu khiÅn bán phÅn nh°ng trong thực tÁ lo¿i này không quan trọng lÃm

2.2 Bi¿n đái bán phÅn tÁi thuÅn trá

Sơ đồ bán dẫn thyristor được trình bày trong hình 5.1 và đã được giới thiệu trong bài công tác điến Do thyristor không có khả năng điều khiển áp bán kỳ dòng của điện áp DC, nên trên tải cũng xuất hiện điện áp dạng Trong trường hợp lý tưởng, diện tích điện áp/góc kích có khả năng điều chỉnh chỉ từ 0 đến 180 độ cho toàn bộ bán kỳ dòng từ 0 đến 0.

Hình 5.1: Biến đổi công suất điều khiển bán phần M1

Mạch điện mô tả trong hình 5.1 tương tự như tất cả các mạch biến đổi công suất điều khiển đã được nêu, với điện áp ra DC Ud phụ thuộc vào góc kích và được biểu diễn theo công thức sau: ữ ứ ữ ử ứ ý ử .

Khi góc kích ³ = 0 0 , quan há trong phÅn 2.2 cÿa bài 4 cũng áp dāng đ°ÿc trong tr°òng hÿp này

Tÿ ph¿m vi gúc kớch cho phộp, hỡnh 5.2 trỡnh bày hai tr°òng hÿp ³ = 45 0 và ³ 5 0

BIÀN ĐàI CÔNG SUÂT CÓ ĐIÂU KHIÄN