CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN DÙNG TIRISTO

Ở chương trước chúng ta đã xét các mạch chỉnh lưu dùng điốt. Trong các mạch này ta không thể điều khiển (thay đổi theo ý muốn) trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu Udo.Trong chương này chúng ta sẽ thấy rằng cũng trong các mạch chỉnh lưu như vậy nếu thay các điốt bằng các tiristo thì ta sẽ dễ dàng điều khiển được Udo bằng cách thay đổi thời điểm mở của các tiristo.Điều này cho phép chúng ta dùng tiristo để điều khiển với hiệu suất rất cao các thiết bị dùng điện một chiều như các động cơ đ

Chơng 3 Chỉnh lu có điều khiển dùng Tiristo

3-1 Khái niệm chung

ở chơng trớc chúng ta đã xét các mạch chỉnh lu dùng điốt Trong các mạch này ta không thể điều khiển (thay đổi theo ý muốn) trị số trung bình của điện áp chỉnh lu Udo

Trong chơng này chúng ta sẽ thấy rằng cũng trong các mạch chỉnh lu nh vậy nếu thay các điốt bằng các tiristo thì ta sẽ dễ dàng điều khiển đợc Udo bằng cách thay đổi thời điểm mở của các tiristo

Điều này cho phép chúng ta dùng tiristo để điều khiển với hiệu suất rất cao các thiết bị dùng điện một chiều nh các động cơ điện một chiều , các lò điện, các máy hàn điện và các đèn chiếu sáng, v.v…

Nh ta đã biết ở chơng 1, điốt sẽ mở khi hiệu thế giữa anốt và catốt trở nên

d-ơng (UAK > 0 ) còn tirito chỉ mở khi đồng thời thoả mãn cả 2 điều kiện : UAK > 0 và

có tín hiệu dơng UGK hoặc IG tác dụng vào cực điều khiển G của tiristo Do đó tiristo thờng mở chậm hơn điốt tơng ứng một góc α nào đó Góc α này đợc gọi là góc mở chậm của tiristo , ta có :

α = ωτ (3.1) Trong đó:

ω - tần số góc của dòng điện xoay chiều

τ - thời gian tính từ thời điểm mở điốt tơng ứng ( UAK bắt đầu dơng ) đến thời

điểm mở tiristo ( có tín hiệu điều khiển IG )

Trong các mạch chỉnh lu dùng tiristo đều đợc cung cấp từ nguồn điện xoay chiều một pha hoặc 3 pha Do đó các tiristo chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái khoá thờng bằng cáh tự nhiên Điều này có nghĩa là mỗi tiristo sẽ khoá lại khi dòng

điện qua nó đi qua trị số không, hoặc nó bị phân cực ngợc một cách tự nhiên theo quy luật của nguồn điện xoay chiều và tính chất phụ tải

3-2 các chế độ cung cấp điện cho một phụ tải qua mạch chỉnh lu dùng tiristo

Khi cung cấp diện cho một phụ tải qua bộ chỉnh lu dùng tiristo ta có thể gặp

2 chế độ cung cấp sau đây:

3-2-1 Chế độ cung cấp gián đoạn : ở chế độ cung cấp này dòng điện qua phụ tải không liên tục

Để minh hoạ chế độ này ta xét một mạch chỉnh lu 1 pha một nửa chu kì nh

Hình 3-1

Trong mạch này tiristo Th đợc điều khiển bằng các xung dòng điện iG xuất hiện chậm sau điện áp u một góc pha α nào đó nh hình 3-1b

Khi có tín hiệu iG , tiristo sẽ mở, nên góc α đợc gọi là góc mở chậm của tiristo Khi tiristo mở thì điện áp ở 2 đầu phụ tải :

t U

u

u d = = msinω

còn dòng điện id qua phụ tải đợc xác định từ phơng trình

dt

di

Nghiệm của phơng trình này sẽ là :

R m

z

U

Trong đó z= R2 +( Lω )2 - tổng trở phụ tải ( 3.3)

R

L arctgω

ϕ =

A – hằng số tích phân đợc xác định từ điêud kiện ban đầu

Căn cứ vào biểu thức này của id ta có dạng đờng cong id nh hình 3-1b Tại góc pha λ nào đó id giảm đến không và tiristo tự động tắt Do đó λ đợc gọi là góc tắt của tiristo Tiristo tiếp tục tắt cho tới thời điểm xung iG tiếp theo ở chu kì của điện áp u

Nh vậy trong mỗi chu kì của u dòng điện qua phụ tải id chỉ tồn tại trong khoảng từ α đến λ, còn từ λ đến 2π dòng điện id = 0 Nói cách khác dòng điện qua phụ tải là một dòng điện gián đoạn

3-2-2 Chế độ cung cấp liên tục : ở chế độ này dòng điện qua phụ tải là một

dòng điện liên tục (luôn luôn lớn hơn không )

27

α

u

θ

R L

ud

T

u1

ud

u2

u2

α

Để minh hoạ chế độ này ta xét một mạch chỉnh lu một pha hai nửa chu kì nh hình 3-2a

Hình 3-2

Trong mạch này các tiristo T1 và T2 đợc điều khiển bằng các xung dòng điện

iG1 và iG2, ở mỗi chu kì xung điều khiển iG1 đợc cho trên cực điều khiển của T1 chậm sau điện áp u1 một góc α, còn iG2 đợc cho trên cực điều khiển của T2 chậm sau iG1 một góc π nh hình 3-2b

Tại góc α có iG1 và u1 > 0 nên Th1 mở :

L

R m

Th

z

U

i

i = = sinω −ϕ + −ω ω

và có dạng nh đờng cong iTh1 hình 3-2b

Tại góc α + π, có iG2 và u2 > 0 , T2 mở Khi T2 mở uK = uA2 = u2 Điện áp trên tiristo lúc đó sẽ là :

UA1K = uA1 – uK = u1 –u2 < 0, nên T1 khoá lại , nh vậy sự mở của một tiristo

sẽ dẫn đến sự khoá của một tiristo khác khi tiristo T2 mở , id = iTh2 và có dạng giống

nh iTh1 ở nửa chu kì trớc Bây giờ ta hãy xem với điều kiện nào thì dòng điện id qua phụ tải là liên tục , ta dễ dàng thấy rằng để id liên tục thì ngay trớc khi mở Th2, dòng

điện id = iTh1 cha giảm đến không Nói cách khác dòng điện id ở các góc pha α và α + π lớn hơn không Ta có:

ω α ω

π α ω

α ω α

ϕ α

ϕ π α π

α

ϕ α

L

R L

R m

L R m

d

L

R m

d

e Ae z

u

Ae U

i

Ae z

U

i

−

−

+

−

−

+

−

−

=

+

− + +

+

+

−

=

sin

sin sin

Vì i d( )α =i d(α+ ) =i do

ω α

ϕ

R m

L

R

z

U Ae

z

U

sin

Từ đây ta rút ra :









−

−

−

ω α

R m

L

R

e z

U

θ

T1

u22

u1

T2

θ

ud

id

id

ud

θ1 π 2π

và ta có :

) 1

(

) sin(

2 ) sin(

π ω

ϕ α ϕ

α

L R m

m do

e z

U z

U i

−

−

−

−

−

=









































−

+

−

−

=

















−

−

−

=

−

−

−

π ω

π ω

π ω

ϕ α

ϕ α

L R L R m

L R m

e

e z

U

e z

U

1

1 ) sin(

1

2 1

) sin(

( 3.6)

1

−

+

−

−

π

ω

π

ω

L

R

L

R

e

e

nên để ido >0 cần có sin(α −ϕ)<0

z

U m

Từ đó suy ra điều kiện để ido liên tục (ido > 0) là sin (α - ϕ) < 0 hoặc α < ϕ trong đó

R

L arctgω

ϕ =

Nh vậy điều kiện để chỉnh lu một pha hai nửa chu kì làm việc ở chế độ cung cấp liên tục là góc mở chậm của tiristo :

α < ϕ

3-3 sơ đồ chỉnh lu cầu một pha dùng tiristo

Trong sơ đồ này ngời ta dùng 4 tiristo T1, T2, T3, T4 Các tiristo này đợc điều khiển bằng các xung dòng điện điều khiển tơng ứng iG1, iG2, iG3, iG4 Thông thờng các xung dòng điện này đợc cung cấp từ một máy phát xung chung (không vẽ trong hình 3-3a)

29

Hình 3.3 Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển

Tả i

T3

T1

T4

T2

ud

id

θ

2

α

u

ud

u2

α

u2

Mạch chỉnh lu đợc cung cấp từ một nguồn điện xoay chiều qua biến áp với

điện áp thứ cấp :

u2 = U2msinωt

Các xung điều khiển iG1, iG2, iG3, iG4 có cùng chu kì với u2 nhng xuất hiện không đồng thời với u2

Các xung iG1 , iG3 xuất hiện sau u2 một góc pha α , còn các xung iG2, iG4 xuất hiện sau u2 một góc α + π (hình3-3b)

Trong nửa chu kì đầu của u2, (0 ≤ ωt ≤ π), u2 > 0, các tiristo T1 và T3 đợc phân cực thuận Do đó tại ωt = α (có iG1 và iG4), các T1 và T3 mở Lúc đó dòng điện đi từ

điểm A qua T1 đến điểm M qua phụ tải đến điểm N qua T3 về điểm B

Các tiristo này mở cho đến lúc ωt = π Tại ωt = π, u2 = 0 Dòng qua tiristo cũng bằng không (vì ở mạch thuần trở dòng điện cùng pha với điện áp ) và tiristo tắt một cách tự nhiên

Trong thời gian các tiristo này mở (α ≤ ωt ≤ π) điện áp chỉnh lu (điện áp ở hai đầu phụ tải ) là:

ud = u2 = U2msinωt dòng điện qua phụ tải và tiristo T1 là :

t R

U R

u i

Th

=

còn điện áp trên tiristo T1 là uT1 = 0

Sang nửa chu kì hai của u2 (π ≤ ωt ≤ 2π) u2 < 0, các tiristo T2 và T4 đợc phân cực thuận Do đó tại góc pha α + π (có iG2 và iG4) các tiristo T2 và T4 mở, lúc đó dòng

điện đi từ điểm B qua T2 đến điểm M qua phụ tải đến điểm N qua T4 về điểm A

Các tiristo này mở cho đến ωt = 2π tại ωt = 2π, u2 = 0 dòng điện qua tiristo bằng không và tiristo tắt một cách tự nhiên Trong thời gian các tiristo T2 và T4 mở,

điện áp chỉnh lu

ud = -u2 = -U2msinωt

và dòng điện qua phụ tải và tiristo T2 là :

t R

U R

u i

Th

=

với sự mở của T2 và T4, uM = uB và uN =uA Lúc đó điện áp trên các tiristo T1và T3 sẽ

là :

0

0

2 2

3

1

<

=

−

=

−

=

<

=

−

=

−

=

u u u u u u

u u u u u u

B A B N T

B A M A Th

Do đó các tiristo T1 và T3 khoá lại (iTh1 = 0 ), nh vậy sự mở của một đôi tiristo

sẽ dẫn đến sự khoá một cách tự nhiên đôi tiristo khác và các đờng cong biến thiên của ud, id và uTh1 có dạng nh hình 3-3b

Từ đờng cong dòng điện id ta thấy rằng trong mạch chỉnh lu này phụ tải đợc cấp điện theo chế độ gián đoạn

a) Các thông số của mạch chỉnh lu cầu một pha dùng thyristor khi phụ tải thuần trở.

- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lu

∫

π

2 0

2

1

Từ đờng cong ud hình 3-3b, ta có :

α

α π

ω ω

2

2

do

U t td U

Trong đó U2m – biên độ điện áp thứ cấp của máy biến áp

Ta dễ dàng thấy rằng khi α thay đổi từ 0 ữ π thì U’do thay đổi từ

π m

U2

2

đến 0

Do đó ta có thể điều khiển U’do bằng cách thay đổi α

- Điện áp ngợc cực đại trên mỗi tiristo U’ngmax

Từ đờng cong uTh1 hình 3-3b ta suy ra U’ngmax = U2m khi góc mở chậm của tiristo

2

π

α ≤

Nếu

2

π

α > thì U’ngmax = U2msin α

- Hệ số nhấp nhô của điện áp chỉnh lu

do

d d

U

u u

K

' 2

min max

'

0

−

Đối với mạch chỉnh lu này udmin = 0, udmax = U2m khi

2

π

α ≤ và udmax = U2msin

α khi

2

π

α > Do đó khi

2

π

α ≤ , ta có:

Khi

2

π

α > , ta có :

31

π α

π 1 cos 21 cos

2

0

2

2 '

−

=

m

m U

U K

α π α

π

α

cos 1 2

sin cos

1 2

sin

2

2 '

0

+

= +

=

m

m U U K

- Giá trị trung bình của dòng điện qua phụ tải :

π2 1 cos

R

U R

U

- Trị số cực đại imax trị số hiệu dụng I và trị số trung bình i0 của dòng điện qua mỗi tiristo

Từ đờng cong dòng điện i trên 3-3b ta có:

∫

=

=

=

t d i I

R

U i

i

Th

m d

ω π

2

2 max max

1

2

khi thay vào biểu thức này

R

t U

Th

ω

sin

2

1 = ta nhận đợc :

2

' cos

1 2 2

1

cos sin

2 0

2

1

d m

Th

m

I R

U t d i I

R

U I

= +

=

=

+

−

=

π

ω π

π

α α α

π π α

( 3.12)

- Trị số hiệu dụng I2 của dòng điện thứ cấp và công suất S của máy biến áp

ở mỗi nửa chu kì của điện áp u2, dòng điện qua cuộn dây thứ cấp chính là dòng điện qua các tiristo mở Do đó:

π

α α α

π

π

α α α

π

π

α α α

π ω

π

cos sin 2

cos sin 2

2

cos sin 2

2 2

2 2

2 2 2 2

2 2

+

−

=

+

−

=

=

+

−

=

R

U

R

U U I U

S

R

U t d i I

m

m m

m Th

( 3.13)

- Hệ số công suất của mạch thứ cấp máy biến áp:

π

α α α

π

α π

π

α α α

π

α π

ϕ

cos sin

cos 1 2

1

cos sin 2

cos 1

' ' cos

2 2

2 2

2 2

2 2 2

+

−

+

=

+

−

+

=

=

=

R U R U

S

I U S P

m m

d do d

( 3.14)

3.4 Mạch chỉnh lu cầu một pha không đối xứng

Sơ đồ nguyên lý nh hình 3 4

Tải R-L

Khi θ = θ1 cho xung điều khiển mở T1, trong khoảng θ1, θ2 tiristor T1 và điôt

D2 cho dòng chảy qua; khi u2 bắt đầu đổi dấu, D1 mở ngay, T1 tự nhiên khoá lại

dòng id = Id chuyển từ T1 sang D1 D1 và D2 cùng cho dòng chảy qua, Ud = 0 Khi θ = θ3 = π +α cho xung mở T2 Dòng tải

id = Id chảy qua D1 và T2, điôt D2 bị khoá lại

Trong sơ đồ này góc dẫn dòng của tiristor và điôt không bằng nhau

Góc dẫn dòng của điôt λD = π +α

Góc dẫn dòng của tiristor λT = π - α

Giá trị trung bình của điện áp tải:

α

α π

θ θ

2 2 sin

2

1

U

Dòng tải

R

U

d =

Sơ đồ dạng sóng đầu ra nh hình 3.4

3.4 Mạch chỉnh lu ba pha hình tia dùng tiristor :

Do điện áp ba pha u1, u2, u3 lệch pha nhau 1200, do đó tại từng thời điểm mỗi pha có điện áp dơng hơn hai pha kia trong khoảng 1200 Việc cấp xung điều khiển chỉnh lu phải thoả mãn hia điều kiện:

- Tại thời điểm cấp xung điện áp pha tơng ứng dơng

- Nếu có các tiristor nào đó đang dãn thì điện áp pha tơng ứng phải dờn hơn pha kia, vì thế cần xét tới thời điểm cấp xung đầu tiên

Sơ đồ nguyên lý nh hình vẽ:

33

T1

id

Tả i

T2

T3

u

d

u1

u2

u3

Hình 3.5 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia dùng tiristor

T1

T4

D1

D2ud

id

Tả i

Hình 3 4 Sơ đồ mạch chỉnh lưu bán điều khiển

θ

ud

θ

id

Id

α θ1 α θ2

3.4.1 Hoạt đông của sơ đồ:

Sơ đồ ba pha hình tia hoạt động và tạo nên điẹn áp chỉnh lu ud khác nhau tuỳ theo độ lớn của góc mở, tuỳ theo đặc tính của tải

• khi α = 0 0

Các tiristor đợc cấp xung điều khiển lần lợt ngay tại giao điểm các điện áp pha điện áp chỉnh lu sẽ cực đại bằng Um, còn điện áp ngợc cực đại khi tiristor bị khoá umg max= 6U2

• Khi α < 300

Ví dụ trên hình 3.6b góc mở α = 200 Không phụ thuộc vào tính chất của điện áp tải và dòng điện chỉnh lu liên tục

Tại α1 cấp xung điều khiển cho T1 Vì uα dơng nhất nên T1 mở, điện áp rơi trên tiristor có

thể bỏ qua,

điện áp trên

tải bằng

điện áp

nguồn Đến

α2 cấp xung

điều khiển

34

cho tiristor T2, lúc này uB dơng nhất nên T2 mở Khi T2 đãn điện áp ngợc đặt lên T1 là

điện áp dây, do đó trị số điện áp ngợc cực đại là 6U2

• Khi α > 300

Tải thuần trở do có van đang dẫn sớm hơn thời điểm mở tiristor của pha kế tiếp,

do đó có vùng các tiristor đều bị khoá

3.4.2 Dạng sóng điện áp và dòng điện chỉnh lu

Dạng sóng dòng điện chỉnh lu phụ phụ thuộc vào tính chất phụ tải thuần trở, dòng điện id cùng dạng sóng ud (hình 3 6a) Khi điện kháng tải tăng lên, dòng điện càng trở nên bằng phẳng và khi LD tiến tới vô cùng dòng điện một chiều sẽ không

đổi (hình 3 6d)

Điện áp trung bình của tải đợc xác định theo biểu thức:

α π

θ θ π

α π

α π

cos 2

6 3 sin

2

2

3

U d

U

+

+

−

( 3.16)

Trên hình 3 6c ta nhận thấy điện áp áp ud thay đổi theo góc mở α Khi α <

900 thì ud dơng và bộ biến đổi làm ciệc ở chế độ chỉnh lu Khi α > 900 thì ud âm và

bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lu, khi đó bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lu và phát công suất cho nguồn

Để xác định công suất máy biến áp ta tính công suất sơ cấp: S1 =3 Up1 Ip1

Up1, Ip1 là điện áp , dòng điện hiệu dụng sơ cấp Công suất thứ cấp: S1 =3 Up2 Ip2

Up2, Ip là điện áp , dòng điện hiệu dụng thứ cấp

35

Công suất một chiều trên tải: Pd = Ud Id Quan hệ giữα dòng điện hiệu dụng và thứ cấp theo Id:

3

I

I =

3

2

I

k

I = Từ đó suy ra : S1=1.21Pd

S2=1,48Pd

Sơ đồ nguyên lý nh

hình 3.7

Đây là chỉnh lu ba pha

hai nửa chu kỳ với hai

nhóm: T1, T3, T5 hình

thành nhóm catôt

chung; còn T2, T4, T6

hình thành nhóm anôt

chung;

Giả thiết T5 và

T6 đang dẫn nên

Tại θ1 = π/6 + α

cho xung điều khiển mở T1 Tiristor này sẽ mở vì uA > 0 Sự mở của T1 làm cho T3 bị khoá một cách tự nhiên vì uA > uC Lúc ày T1 và T6 dẫn và điện áp trên tải là: ud = uA – uB

Tại θ2 = 3π/6 + α cho xung điều khiển mở T2 Tiristor này sẽ mở vì uB > 0 Sự

mở của T2 làm cho T6 bị khoá một cách tự nhiên vì uB > uC Lúc ày T1 và T6 dẫn và

điện áp trên tải là: ud = uB – uC

Các xung điều khiển lệch nhau π/3 lần lợt đợc đa đến các cực điều khiển theo thứ nh sau:

Dạng sóng điện áp ra trên hình 3.8

T3

T1

ua

Tả i u

d

id

T5

T2

ub

uc

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu 3 pha dùng tiristor

Điện áp trung bình trên tải đợc tính theo công thức :

α π

θ θ π

α π

α π

cos 6 3 sin

2

2

5

6

U d

U

+

+

( 3.17) Công suất định mức của máy biến áp : S1 = S2 =1,05.Pd

Câu hỏi ôn tập

1 Trình bày nguyên lý hoạt động của các mạch chỉnh lu có điều khiển: hình cầu một pha, hình cầu ba pha, hình tia ba pha

2 Nêu ứng dụng của các sơ đồ chỉnh lu

37

Hình 3.8 Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển a) dạng sóng khi góc mở nhỏ; b) Dạng sóng khi góc mở lớn