Thiết kế thi công bộ thí nghiệm điện tử công suất

Thiết kế thi công bộ thí nghiệm điện tử công suất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Đề tài: THIẾT KẾ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN LÊ MINH THƯ NGUYỄN THỊ HỒNG HUỆ Giáo viên hướng dẫn : VŨ ĐỖ CƯỜNG

TP HỒ CHÍ MINH – THÁNG 3/2000

LỜI NÓI ĐẦU

Trong mạng lưới điện hiện nay, điện xoay chiều chiếm ưu thế và được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực Tuy nhiên nguồn điện một chiều không mất đi thế đứng của nó Với sự ra đời và phát triển của dụng cụ bán dẫn công suất lớn, cùng với việc các mạch điều khiển các linh kiện điện tử công suất ngày càng được cải tiến và hoàn thiện đã tạo nên sự thay đổi lớn của kỹ thuật biến đổi điện năng

Để cung cấp điện một chiều cho các thiết bị dùng nguồn điện một chiều mà nguồn điện này không có sẵn, người ta hoàn chỉnh các bộ chỉnh lưu để đáp ứng áp và dòng điện cho các thiết bị một cách thuận lợi, tối ưu nhất

Chỉnh lưu dùng dụng cụ bán dẫn công suất có điều khiển đã ra đời nhằm thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của các thiết bị dùng nguồn điện một chiều, với sự điều chỉnh điện áp một cách có lợi nhất

Tập luận án này đã thiết kế và thi công bộ thí nghiệm điện tử công suất cụ thể là chỉnh lưu bán điều khiển một và ba pha, với mục đích giúp cho sinh viên hiểu rõ hơn về các vấn đề đã được học trong lý thuyết của môn học Điện Tử Công Suất

Mặc dù thầy Vũ Đỗ Cường đã hướng dẫn tận tình, chu đáo nhưng do trình độ người

thực hiện luận án không cao, kiến thức kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên trong tập luận án này chắc không tránh khỏi thiếu sót Mong nhận sự đóng góp ý kiến quí báu của Thầy Cô và các bạn để tập luận án được hoàn thiện hơn, có thể áp dụng vào thực tế

Thành phố Hồ Chí Minh ngày 20 tháng 2 năm 2000

Sinh viên thực hiện Nguyễn Lê Minh Thư Nguyễn Thị Hồng Huệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên : Nguyễn Lê Minh Thư

Nguyễn Thị Hồng Huệ Lớp : 95KĐĐ

Ngành : Điện Tử

1 Tên đề tài : Thiết kế – Thi công bộ thí nghiệm Điện Tử Công Suất

2 Nội dung các phần thuyết minh:

………

………

………

………

………

………

………

3 Các bản vẽ: ………

………

………

………

………

………

………

4 Giáo viên hướng dẫn: Vũ Đỗ Cường ………

………

5 Ngày giao nhiệm vụ:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN LÊ MINH THƯ

NGUYỄN THỊ HỒNG HUỆ Lớp : 95KĐĐ

Tên đề tài : Thiết kế -Thi công bộ thí nghiệm Điện Tử Công Suất

Nội dung luận văn Tốt Nghiệp:

………

………

………

………

………

………

Nhận xét của cán bộ hướng dẫn: ………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

………

.………

………….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

Cán bộ hướng dẫn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN LÊ MINH THƯ

NGUYỄN THỊ HỒNG HUỆ Lớp : 95KĐĐ

Tên đề tài : Thiết kế - Thi công bộ thí nghiệm Điện Tử Công Suất

Nội dung luận văn Tốt Nghiệp:

………

………

………

………

………

………

Nhận xét của cán bộ phản biện: ………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

………

.………

………….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

……….………

………

Cán bộ phản biện

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Thầy Vũ Đỗ Cường, Thầy Cô trong Khoa Điện đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành tập đồ án tốt nghiệp

Chúng tôi xin cảm ơn bạn bè, thân hữu đã giúp đỡ, động viên chúng tôi làm tốt nhiệm vụ được giao một cách tốt đẹp

MỤC LỤC

Trang

Chương I: Các linh kiện điện tử công suất

I Diode công suất

II Transistor công suất

III SCR

IV UJT

Chương II Khảo sát các dạng mạch động lực

I Chỉnh lưu dùng Thyristor

1 Chỉnh lưu điều khiển một pha nửa chu kỳ

2 Chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ

3 Chỉnh lưu điều khiển cầu một pha

II Chỉnh lưu dùng diode và thyristor

1 Sơ đồ 1

2 Sơ đồ 2

III Chỉnh lưu ba pha hình tia có điều khiển

1 Tải là R thuần α = 0

2 Tải là R+L α ≠ 0

IV Chỉnh lưu hình cầu ba pha bán điều khiển

1 Chế độ làm việc

2 Giá trị Ud

3 Ưu điểm

V Chỉnh lưu điều khiển hình cầu ba pha

1 Tải là thuần trở R và R+L với α = 0

2 Tải là R và α ≠ 0

3 Tải là L+R với L = ∞ và góc α ≠ 0

Chương III Nguyên lý hoạt động

I Nguyên lý mạch 1 pha

1 Sơ đồ khối

Chương IV: Thiết tính

I Mạch một pha

1 Khối đồng bộ

2 Tạo xung kích

II Thiết tính mạch ba pha

1 Mạch dịch pha

2 Mạch tích phân

3 Tính mạch retriggerable

4 Mạch dao động bất ổn

5 Khối nguồn

III Thiết kế bàn thí nghiệm

Chương V: Thi công

I Mạch một pha

A Linh kiện sử dụng

B Thử mạch

II Mạch ba pha

A Linh kiện sử dụng

B Thư û mạch

III Thi công bàn thí nghiệm

Chương VI: Soạn bài thí nghiệm

A Mục đích yêu cầu

B Các bài thí nghiệm

Bài 1: Giới thiệu bàn thí nghiệm Điện tử công suất

1 Giới thiệu bộ thí nghiệm

2 Mô hình thí nghiệm

3 Yêu cầu đối với sinh viên thực tập

Bài 2: Chỉnh lưu có điều khiển một pha

I Mạch chỉnh lưu nửa bán kỳ

1 Lý thuyết

2 Thí nghiệm

II Chỉnh lưu toàn kỳ bán điều khiển

1 Lý thuyết

2 Thí nghiệm

3 Câu hỏi

Bài 3 Chỉnh lưu công suất ba pha

A Thiết bị sử dụng

B Thí nghiệm

I Mạch chỉnh lưu hình tia

1 Lý thuyết

2 Thí nghiệm

3 Câu hỏi

II Chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng

1 Lý thuyết

2 Thí nghiệm

3 Câu hỏi

Chương VII Lời giải

Bài 2: Chỉnh lưu có điều khiển một pha

I Chỉnh lưu bán kỳ một pha

1 Công thức

2 Dạng sóng

3 Nhận xét

II Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển

1 Công thức

2 Dạng sóng

Bài 3: Mạch chỉnh lưu ba pha

I Mạch chỉnh lưu hình tia

1 Công thức

2 Dạng sóng

II Mạch chỉnh lưu ba pha bán điều khiển

1 Công thức

2 Dạng sóng

CHƯƠNG I: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT

Trong một thời gian dài ứng dụng của Kỹ thuật điện tử chủ yếu là trong lĩnh vực tần số cao, từ những năm 50 ngành Điện tử Công Nghiệp ra nhưng ứng dụng của chúng

bị hạn chế vì thiếu những linh kiện điện tử công suất tần số cao, kích thước nhỏ, và đặc biệt là có độ tin cậy cao Các đèn điện tử chân không và có khí, các đèn thủy ngân không đáp ứng được các yêu cầu khắc khe của điều khiển công nghiệp.Từ những năm 60 do sự hoàn thiện của của kỹ thuật bán dẫn, một loạt những linh kiện bán bẫn công suất như Diode, Thyristo, Transistor ra đời Từ những năm 70 Kỹ thuật vi mạch và Tin học ngày càng phát triển tạo nên những thiết bị điện tử công suất có điều khiển với tính năng ngày càng phong phú và làm thay đổi tận gốc ngành Kỹ thuật điện Từ đây kỹ thuật điện và điện tử hòa nhập và thúc đẩy nhau cùng phát triển

Trong chương này sẽ giới thiệu những linh kiện bán dẫn công suất chủ yếu là Diode, Transistor, Thyristo, cùng các linh kiện điều khiển chúng

I DIODE CÔNG SUẤT:

Diode do hai lớp vật liệu bán dẫn p-n ghép lại thành Các điện tử tự do trong bán dẫn n sẽ liên kết với các lỗ tự do của bán dẫn p, do đó phía n sẽ mang điện tích dương và phía p sẽ mang điện tích âm

Dòng điện rò

Hình 1-2 Đặc tính Vôn- ampe của Diode

Hình 1-2 trình bày đặc tính Vôn- ampe của Diode Nếu đặt vào p (anode) một điện áp dương so với n (cathode) sẽ có dòng chạy qua và tạo nên một điện áp rơi khoảng

N p Anode

Cathode

0,7V khi dòng điện định mức Nếu điện áp ngược lại, các điện tử tự do và lỗ trống bị đẩy xa lớp chuyển tiếp, kết quả chỉ có dòng rò vào khoảng vài mA có thể chạy qua Khi tăng tiếp tục điện áp ngược, các điện tích được gia tốc, gây nên va chạm dây chuyền làm hàng rào điện thế bị chọc thủng Kết quả Diode mất tính chất dẫn điện theo một chiều khi điện áp vượt qua điện áp ngược cực đại

Các thông số kỹ thuật cơ bản để chọn Diode là:

Dòng điện định mức Iđm (A)

Điện áp ngược cực đại Ungmax(V)

Điện áp rơi ΔU (V)

II TRANSISTOR CÔNG SUẤT:

Transistor là linh kiện bán dẫn gồm ba lớp npn hay pnp và được biểu diễn trên hình 1-3 và 1-4

Hình 1-3 Transistor npn a Cấu tạo b Ký hiệu

Hình 1-4 Transistor pnp a.Cấu tạo b Ký hiệu

Ở chế độ làm việc tuyến tính dòng điện cực góp IC là hàm số của dòng điện cực gốc

IB , với một điện áp cực góp – phát UCB đã định một biến thiên rất nhỏ của dòng điện gốc dẫn đến sự biến thiên lớn của dòng điện góp, tỉ số giữa hai dòng điện đó vào khoảng từ 15 đến 100 Hình 1-5 vẽ đặc tính của Transistor loại npn

Phát

Gốc

Gốp Gốp

Phát

Hình 1-5 Đặc tính V-A của Transistor loại npn

Trong thực tế sử dụng, Transistor công suất thường được cho làm việc ở chế độ khóa Ở chế độ này, khi dòng điện gốc bằng không, dòng cực góp bằng không, transistor được xem như hở mạch Nhưng với dòng điện gốc ở trạng thái có giá trị bão hòa, thì transistor trở về trạng thái đóng hoàn toàn Transistor là một linh kiện phụ thuộc nên cần phải phối hợp dòng điện gốc với dòng điện góp Ở trạng thái bão hòa, để duy trì khả năng điều khiển và để tránh điện tích ở cực gốc quá lớn, dòng điện gốc ban đầu phải cao để chuyển sang trạng thái dẫn nhanh chóng Ở chế độ khóa dòng điện gốc phải giảm cùng qui luật như dòng điện góp để tránh hiện tượng chọc thủng thứ cấp

UCE

Hình 1-6 Trạng thái dẫn và bị khóa

Để giảm dòng điện góp ở trạng thái khóa người ta duy trì một điện áp ngược với giá trị nhỏ ở cực gốc như một khóa chuyển mạch, tổn hao công suất trong transistor là nhỏ Tổn hao đó sinh ra do dòng rò nhỏ ở trạng thái mở, do điện áp bảo hòa (trong hình 1-6) và dòng góp ở trạng thái đóng Điện áp bảo hòa thông thường của transistor công suất silic khoảng 1,1V

Các tổn hao chuyển mạch của transistor có thể lớn Trong lúc chuyển mạch, điện áp trên các cực và dòng điện của transistor cũng lớn Tích của điện áp với dòng điện và

Trạng thái đóng mạch hay ngắn mạch, IB lớn.

Ic do tải giới hạn Ic

Công suất tổn hao chính xác do chuyển mạch là hàm số của các thông số của mạch phụ tải và dạng biến thiên của dòng điện gốc

Người ta cải thiện hệ số khuếch đại dòng điện của transistor bằng cách lấy dòng gốc từ một transistor khác theo mạch Darlington trình bày như hình 1-7:

Hình 1-7 Transistor công suất theo sơ đồ Darlington

III.SCR ( Silicon Controlled Rectifiers )

SCR hoạt động như một công tắc bán dẫn cho dòng chạy qua từ anode đến cathode đến tải nếu có tín hiệu cấp cho cực cổng SCRs khác với một công tắc thuần túy là SCR đổi từ điện áp AC thành DC (mach lọc) nếu áp AC được dùng như nguồn cung cấp Ngoài ra thời gian dẫn của SCR cũng có thể thay đổi nên dòng cung cấp cho tải cũng thay đổi từ zêro đến giá trị lớn nhất của nguồn cung cấp

Hình 1-8 mô tả SCR kết nối với trở tải SCR có thể làm việc với nhiều loại nguồn cung cấp khác nhau Nếu nguồn cung cấp hình 1-8 là điện áp DC, SCR sẽ dẫn khi có tín hiệu được kích ở cực cổng Để SCR ngưng dẫn thì ta cắt nguồn cung cấp cho SCR, nên nó không được tiện lợi cho lắm Nếu nguồn cung cấp cho SCR là nguồn xung hay AC thì SCR sẽ tự ngắt ở điểm cuối mỗi chu kỳ khi điện áp bằng không Nếu nguồn cung cấp là điện áp AC thì SCR sẽ chỉ dẫn ở nửa chu kỳ dương của dạng sóng SCR có thể thay đổi dòng cho phép qua tải bằng cách thay đổi điểm kích ở cực cổng Nếu SCR được dẫn, ngay lập tức nó sẽ dẫn dòng và áp đầy ở 1/2 chu kỳ (1800) Nếu điểm kích trễ 900 thì SCR chỉ dẫn xấp xỉ mức dòng và áp đến tải Nếu điểm kích trễ 1750, SCR sẽ dẫn ít hơn 10% mức dòng và áp của nguồn đến tải, vì nửa chu kỳ sẽ tự động tắt SCR tại điểm 1800 Điều này có nghĩa rằng cực cổng của SCR có thể điều khiển mức áp và dòng của tải từ zêro đến max

Nguồn cung cấp

Mở SCR: nếu cho một xung điện áp dương Ug tác động vào cực G (dương so với cathode), các điện tử từ N2 chạy sang P2 Đến đây, một số ít chúng chảy vào nguồn Ug và hình thành dòng điều khiển Ig chảy theo mạch G-J3-K-G, còn phần lớn điện tử chịu sức hút của điện trường tổng hợp của mạch ghép J2, lao vào vùng chuyển tiếp này chúng được tăng tốc độ, động năng lớn lên, bẻ gãy các liên kết nguyên tử Si, tạo nên những điện tử tự do mới Số điện tử mới được giải phóng này lại tham gia bắn phá các nguyên tử Si trong vùng chuyển tiếp Kết quả của phản ứng dây chuyền làm xuất hiện ngày càng nhiều điện tử chảy vào N1 qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài, gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt J2 trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ một điểm nào đó ở xung quanh cực G rồi phát triển toàn bộ ra toàn bộ mặt ghép

Khóa SCR: một SCR đã mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển (Ig) là không còn cần thiết Để khóa SCR có hai cách:

- Làm giảm dòng điện làm việc I xuống dưới giá trị dòng duy trì IH (holding current)

-Đặt một điện áp ngược lên SCR (thường dùng) Khi đặt điện áp ngược lên SCR

UAK <0 hai mặt ghép J1 và J3 phân cực ngược J2 phân cực thuận Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính UAK đang có mặt P1, N1,P2, bây giờ đảo chiều hành trình, tạo nên dòng điện ngược chảy từ cathode về anode, về cực âm của nguồn điện

P

P N N

J1 J2 J3

NN N ANODE

N N

N

P N

CATHODE GATE

ANODE

Q1

Q2

Hình 1-10

Đặc tính V-A của SCR gồm 4 đoạn :

Đoạn 1: ứng với trạng thái khóa của SCR, chỉ có dòng điện rò chảy qua SCR Khi tăng U đến Uch (điện áp chuyển trạng thái), dòng tăng nhanh và chuyển sang trạng thái mở

Đoạn 2: ứng với giai đoạn phân cực thuận của J2. Trong đoạn này ứng với mỗi một lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt lên SCR Đoạn 2 còn được gọi là đoạn điện trở âm

Đoạn 3: ứng với trạng thái mở của SCR Lúc này cả ba mặt ghép trở thành dẫn điện Dòng điện chảy qua SCR chỉ còn bị hạn chế bởi điện trở mạch ngoài Điện áp rơi trên SCR rất nhỏ khoảng 1V SCR được giữ ở trạng thái mở chừng nào I còn lớn hơn IH

Đoạn 4: ứng với trạng thái SCR bị đặt dưới điện áp ngược Dòng điện ngược rất nhỏ, khoảng vài chục mA Nếu tăng U đến UZ thì dòng điện ngược tăng lên rất nhiều, mặt ghép bị chọc thủng Bằng cách cho những Ig > 0 sẽ nhận được một họ đặc tính V-A với các Uch nhỏ dần đi

Uz

IV UJT (Unijunction Transistor)

UJT là một linh kiện bán dẫn đặc biệt, được thiết kế để tạo ra các xung nhọn Cấu tạo gồm 3 cực gọi là base 2 (B2), base 1 (B1) và emitter (E) Chức năng của cực B và E thì khác so với cực B và E của transistor vì UJT chỉ có một mối nối pn còn transistor thì 2 được mô tả ở hình dưới đây:

Hình 1-12

Từ hình 1-12a ta nhận thấy, trong cấu tạo của UJT chất bán dẫn n được chiếm phần lớn mà hai cực B1 và B2 được lấy ra từ chất bán dẫn này Cực E được lấy ra từ chất bán dẫn p, chất bán dẫn này chỉ chiếm một phần nhỏ trong UJT và được ghép với chất bán dẫn n hình thành mối nối pn Hình 1-12b là sơ đồ tương đương của UJT, hình 1-12c ký hiệu

Như đã nói ở trên, UJT là một linh kiện được thiết kế tạo xung nhọn kích mở SCR hoặc Triac

Quá trình tạo xung được tóm tắt như sau: khi điện đặt vào giữa cực E với B1 tăng đến giá trị điện áp đỉnh thì mối nối pn được phân cực thuận, điện trở nội rB1 giảm dần đến gần bằng không và có dòng đi từ E xuống B1 Điện trở rB2 được giữ cố định nghĩa là dòng qua rB2 tạo nên một điện áp VB2 tương ứng với dòng IB2 Sự thay đổi điện trở rB1 làm điện áp tăng rất nhanh đến giá trị điện áp đỉnh và sau đó giảm dần về gần bằng không (xem hình 1-13 ) Nếu điện áp đặt vào E vàB1 được cung cấp bởi điện áp tụ thì điện áp giảm từ đỉnh về gần không sẽ nhanh hơn tương ứng với thời gian xả của tụ

CHƯƠNG II KHẢO SÁT CÁC DẠNG MẠCH ĐỘNG LỰC

Bộ chỉnh lưu liên hệ nguồn xoay chiều với tải một chiều, nghĩa là đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều trên tải Điện áp một chiều trên tải không được lý tưởng như điện áp của ácquy mà có chứa các thành phần xoay chiều cùng với một chiều

Đầu ra của các sơ đồ chỉnh lưu được xem là một chiều, nhưng thật ra thì điện áp đập mạch Trị số điện áp một chiều, hiệu suất và ảnh hưởng của chúng do nguồn xoay chiều rất khác nhau

Các bộ chỉnh lưu được chia làm hai nhóm chính: chỉnh lưu nửa chu kỳ còn gọi là chỉnh lưu nửa sóng và chỉnh lưu hai nửa chu kỳ còn gọi là chỉnh lưu toàn sóng

Trong trường hợp chỉnh lưu nửa chu kỳ, để cung cấp cho tải một chiều, cần mắc nối tiếp chỉnh lưu với mỗi đầu ra của nguồn xoay chiều và nối các cathode của mỗi chỉnh lưu với điểm nối chung Theo nghĩa của từ nửa chu kỳ dòng điện từ nguồn xoay chiều qua mỗi phần tử chỉ qua một chiều, nên người ta gọi là chỉnh lưu nửa chu kỳ là chỉnh lưu một đường

Chỉnh lưu hai nữa chu kỳ gồm hai chỉnh lưu nữa chu kỳ mắc nối tiếp, một chỉnh lưu cung cấp cho tải (cathode nối chung) còn chỉnh lưu kia đưa dòng điện tải về nguồn (anode nối chung), do đó bỏ được trung tính của nguồn của nguồn xoay chiều Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ thường dùng là chỉnh lưu cầu, chỉnh lưu có trung tính ở điểm giữa, còn gọi là chỉnh lưu hai đường hoặc chỉnh lưu toàn sóng

Người ta chia các phần tử chỉnh lưu ra làm ba loại: chỉnh lưu không điều khiển dùng toàn diode, chỉnh lưu có điều khiển dùng toàn SCR và chỉnh lưu bán điều khiển dùng cả SCR và diode

Chỉnh lưu không điều khiển chỉ gồm có toàn diode Điện áp ra là điện áp một chiều cố định

Chỉnh lưu có điều khiển gồm các SCR (đôi khi cùng dùng Transistor công suất) Người ta điều chỉnh điện áp một chiều của tải theo góc mở của SCR Chỉnh lưu có điều khiển thường gọi là bộ biến đổi hai chiều vì công suất có thể chạy theo hai chiều giữa nguồn và tải

Chỉnh lưu bán điều khiển gồm các SCR và Diode, cho phép điều chỉnh điện áp xoay chiều nhưng không đổi được cực tính của điện áp tải

Chỉnh lưu bán điều khiển và không điều khiển còn gọi là bộ biến đổi một chiều vì nó chỉ cho công suất từ nguồn đến tải theo một chiều

CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN:

I Chỉnh lưu dùng Thyristor:

1 Chỉnh lưu điều khiển một pha nữa chu kỳ:

Thyristor khác diode ở chỗ khi bị đặt dưới điện áp UAK > 0, thyristor vẫn ở trạng thái khóa Thyristor chỉ cho dòng chảy qua khi thỏa hai điều kiện sau:

1.1 Khi tải là R+ L:

Gọi α là góc mở, λ là góc tắt dòng

với Uv là điện áp hiệu dụng

Do dòng điện i chậm pha hơn điện áp u nên đường cong của dòng điện id kéo dài ra ngoài π khi mà ud chuyển sang nửa chu kỳ âm

KTX: khối tạo xung

Hình II.1: sơ đồ mạch và dạng sóng chỉnh lưu nửa bán kỳ

Khi thyristor mở, ta có phương trình:

Phương trình này chỉ đúng trong khoảng: α ≤ θ ≤ λ với θ = ωt

Góc cắt dòng λ tính từ góc tọa độ

t U

R L

t U

t dt

di L Ri

u u

v

d d

d v

ω

sin2

=

+

=

=

1.1.1 Xác định các giá trị trung bình U d , Id:

Ta có:

Khi θ = α và θ = λ, ta lấy tích phân

Xác định 2 vế từ α đến λ, Id = 0

chia hai vế cho 2π vì θ ở hai bán kỳ

Theo định nghĩa về giá trị trung bình ta có: Ud = RId

1.1.2Dạng điện áp trên thyristor u T khi có diode chuyển mạch (D)

Ud = UT + Ud

Khi dùng diode chuyển mạch D thì ud không trở thành âm được, do đó điện áp uv

trong nửa chu kỳ âm được đặt lên thyristor

d id

v

di X d

R U

dt

di L R t U

ω

sin2

sin2

λ α

θθ

π

coscos

22

coscos

22

U U

v d

v d

R L D

1.2 Khi tải là R+L+E: ta chỉ có thể mở thyristor nếu thỏa: θ1 < α < θ2

Khi thyristor mở ta có phương trình:

ud

id

Hình II.3 Sơ đồ mạch và dạng sóng khi tải là R + L + E

1.2.1 Xác định các giá trị trung bình U d , I d

Được xác định khi thyristor mở, lúc đó ta có phương trình:

Chia hai vế cho 2π, ta lấy tích phân từ α đến λ, khi θ = α và θ = λ thì id = 0

θ

sin

2 v

r r

r

dt

di L Ri u

R

L + E

E dt

di X i R U

U E

dt

di L i R

d d

v

v

d d

++

=

=++

θ

θ

sin2

sin2

λ α

θπ

θπθθ

E d

i

R d

22

sin221

Ta có:

Trong đó

1.2.2 Dạng điện áp trên thyristor u TuT

- Khi chưa có diode chuyển mạch:

λ α

θπ

θπθ

θ

E d

i

R d

22

sin221

cos2

2

coscos

22

v

v d

v d

R

U I

U U

2 Chỉnh lưu điều khiển một pha hai nửa chu kỳ:

2.1 Khi tải là R+L:

Trong thực tế ωL > R nên id luôn là dòng liên tục Khi ta biết được góc mở thì sẽ biết được góc tắt dòng với λ = π + α

Khi θ = α và θ = λ thì giá trị dòng id có cùng giá trị với Io

Hình II.6 Sơ đồ mạch và dạng sóng chỉnh lưu nửa chu kỳ

2.2.1 Xác định các giá trị trung bình U d , I d:

T1 mở ta có phương trình:

Chia 2 vế cho π, lấy tích phân xác định từ α đến π + α

Giải phương trình trên và theo định luật Ohm: Ud = Rid

U vsin = d +2

π α α

π α

2.2.2 Hình dạng điện áp trên T1:

2.2 Khi tải là R + L + E:

Khi T1 mở ta có phương trình:

Tùy thuộc vào các giá trị của E,L và các góc α mà dòng id gián đoạn hay liên tục

Khi T1 ở trạng thái hoạt động ta có phương trình:

Chia 2 vế cho π và lấy tích phân xác định từ α đến λ ta được:

Xét các trường hợp:

id là dòng gián đoạn: id (α) = id(λ) = 0

id là dòng liên tục: id (α) = id(λ) = I0

Vậy hai trường hợp trên với phương trình sau là đúng:

λ α

λ α

θππ

θπ

θθ

E di

X d

i

R d

di

λ α

πλ

απ

λα

π

αλπ

=

R

E R

U I

U U

Vay

E RI

U

v d

v d

d d

coscos

2

coscos

2

R

E U

R

U I

U U

d v

d

v d

απ

cos2

2

cos2

2

Hình II.9 DaÏng sóng ngõ ra của dòng điện id gián đoạn và liên tục

Hình dạng điện áp trên thyristor:

Để bảo đảm cho thyristor được khóa chắc chắn thì tβ > toff của thyristor

Thực tế người ta dành cho β = π/18

3 Chỉnh lưu điều khiển cầu một pha (chỉnh lưu đối xứng dùng thyristor)

3.1 Tải là thuần trở:

Dòng tải id là dòng gián đoạn

Điện áp tải:

Dòng điện tải:

θ

2sin

22

Hình II.13 Dạng sóng ngõ ra khi tải là R+E+L

id là dòng liên tục vì có điện cảm L trong mạch tải: id = Id

Khi mở nguồn T1và T3 mở cho dòng chảy qua (bán kỳ dương) thì lúc đó ta có phương trình:

Giá trị trung bình: chia (3-3) cho π và tích phân xác định từ α đến π + α

Trong đó

R

U I

U U

d d

d d

=

π cos

22

)33(sin

E RI

U

di

X d

E d

i

R d

U

d d

I

I dr d

π

θπ

θθπ

α π α

α π α

α π α

.sin21

2

II Chỉnh lưu dùng Thyristor và Diode:

sẽ chuyển từ T1 sang D1

D1 và D2 cùngdẫn cho dòng qua: Ud = 0

Khi θ = θ3 = π + α thì cho xung mở Tiristor T2 Lúc này dòng tải id = Id sẽ chạy qua

D1 và T2 dẫn đến D2 bị khóa lại

Do đây là sơ đồ chỉnh lưu 1 pha không đối xứng nên góc dẫn dòng λ của thyristor và diode không bằng nhau:

Góc dẫn dòng của thyristor αT = π - α

Góc dẫn dòng của Diode αD = π + α

1.2 Giá trị trung bình:

Giá trị dòng trong Thyristor IT = Id (π - α)/2π

Giá trị dòng trong Diode ID = Id (π - α)/2π

Hình II.16: Sơ đồ chỉnh lưu bán điều khiển1

Hình II.16 là sơ đồ chỉnh lưu bán dẫn điều khiển cũng dùng 2 Tiristor, 2 Diode nhưng đó là chỉnh lưu nữa chu kỳ, là tổng của hai chỉnh lưu nữa chu kỳ, dòng điện đi qua Tiristor đến tải còn các diode thì cho dẫn dòng điện trở về

2.1 Hoạt động:

Các Thyristor chuyển mạch khi bị kích, các Diode chuyển mạch ở thời điểm điện áp nguồn bằng 0 (zero), do đó điện áp của tải không âm và khi góc mở 1800 thì có trị số trung bình = 0

Tác dụng của Diode chuyển mạch:

Diode chuyển mạch ngăn điện áp chỉnh lưu trở thành âm (xuống 0) nên điện áp chỉnh lưu không giống với trường hợp không có diod chuyển mạch Khi có điện áp nguồn = 0 và trước khi kích Thyristor T2, Tiristor T1 vẫn tiếp tục dẫn nhưng mạch trở về của dòng điện đã chuyển từ Diode D2 sang Diod D4, đồng thời dòng điện nguồn =

D1 T2

Diode chuyển mạch không tạo nên mạch song song với mạch gồm 1 Tiristor và 1 Diode, do đó Thyristor dễ dàng trở về trạng thái khoá

Sau khi trừ đi điện áp rơi trên các Thyristor và Diode thì ta có:

Giá trị trung bình của chỉnh lưu:

III Chỉnh lưu 3 pha hình tia có điều khiển:

Hình II.17: Sơ đồ mạch và dạng sóng chỉnh lưu 3 pha hình tia

Chỉnh lưu 3 pha hình tia có điều khiển có thể điều chỉnh được điện áp ra trung bình nhờ thay đổi góc mở α Các mạch kích mở Thyristor không được giới thiệu ở chương này, nên ta giả thiết rằng mỗi Thyristor trong mạch đều có mạch điều khiển nối vào cực G của nó, và xung kích đồng bộ với điện áp pha tương ứng Khối điều khiển trung tâm cho 3 xung kích Tiristor lệch nhau 1200 để tạo nên cùng một góc mở cho từng Tiristor

Trong mạch tải có điện cảm L nên dòng id thực tế là dòng liên tục, id = Id Góc mở α được tính từ giao điểm của hai điện áp pha (phần giá trị dương)

R

U I

U d

U U

d d

V V

π α

cos1sin

1

ud

iT1 iT2 iT3 id

ABC

Va Vb Vc

T1 T2 T3 L

R

1 Tải là R thuần và góc α = 0:

- θ1,θ2,θ3 là các thời điểm chuyển trạng thái của van T1, T2, T3 trên sơ đồ mạch

- Trước θ1, ta có uc > 0 và uc > ua, vậy lúc đó T3 mở và tại thời điểm θ1 trạng thái mở bắt đầu chuyển từ T3 sang T1 vì lúc này u a > 0 và ua > uc Do đó θ1 vàø các thời điểm

θ2,θ3 được gọi là điểm chuyển mạch tự nhiên trên sơ đồ chỉnh lưu 3 pha

- Khi góc α = 0, nghĩa là xung kích mở Thyristor đúng vào điểm chuyển mạch tự nhiên thì chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu có điều khiển sẽ giống như chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu không điều khiển (diode) Các thyristor của sơ đồ sẽ lần lượt dẫn trong nửa chu kỳ (2π/3) và ở bất cứ thời điểm nào dòng điện cũng chỉ chạy qua van có điện thế trên anode so với masse lớn hơn các van khác

1.2 Giá trị trung bình U d ,I d:

Điện áp ngược chỉnh lưu thường có dạng đập mạch với số lần đập mạch trong một chu kỳ là p thường phụ thuộc vào số pha m của cuộn dây thứ cấp máy biến áp và sơ đồ nối bộ chỉnh lưu, theo công thức sau:

Udo: trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu ứng với góc α = 0, chu kỳ của điện áp chỉnh lưu là 2π/m

Uv: giá trị hiệu dụng của điện áp pha cuộn thứ cấp máy biến áp

Điện áp ngược cực đại đặt lên thyristor sẽ bằng trị số biên độ của điện áp dây trên cuộn thứ cấp máy biến áp:

2 Tải là R+L và góc α ≠ 0

θθπ

π α

π α

d U

U max = 6 = 2,45

Khi bộ chỉnh lưu có điều khiển làm việc với phụ tải R+L, (L = ∞) thì dòng điện chạy qua mỗi van luôn bằng 1/3 chu kỳ Việc chuyển chế độ làm việc từ van này sang van khác được tiến hành bằng cách kích các xung mở lần lượt vào cổng các thyristor.Điện áp chỉnh lưu trung bình ở chế độ làm việc có sự san bằng dùng điện áp chỉnh lưu, được tính như sau:

giới hạn trên π/6 + α + 2π/3 được lấy với điều kiện là mỗi van chỉ làm việc ở 1/3 chu kỳ (2π/3) và với góc điều khiển giới hạn α = 900 Giá trị điện áp thuận và ngược cực đại được tính như sau:

IV Chỉnh lưu hình cầu ba pha bán điều khiển:

Hình II.19 sơ đồ hình cầu chỉnh lưu bán điều khiển

1 Chế độ làm việc:

Trong toàn bộ dải điều chỉnh của góc điều khiển 00 < α < 1800 điện áp chỉnh lưu đều tuân theo qui luật

Nhưng dạng điện áp có hai dạng khác biệt:

Khi 00 < α < 600 điện áp ud luôn dương và dòng điện là liên tục

αθ

θπ

π α π

α π

cossin

22

3

0 3

2 6

6

d v

+ +

+

v v

ng

v

U U

U

U U

45,26

sin6

CB

- Với tải có chứa điện cảm thường dòng điện là liên tục và dòng tải tiếp tục chảy qua một thyristor và diode ở cùng một pha ví dụ T1D4 Do vậy thực chất điện áp ud là âm và có giá trị là tổng sụt áp trên thyristor và diode

2 Giá trị U d: Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu có thể xác định bằng công thức sau:

Chế độ dòng liên tục 0 < α < π/3:

Chế độ dòng gián đoạn: α > π/3:

Từ đó ta có điện áp chỉnh lưu trung bình của cả hai chế độ:

Với Ud0: điện áp chỉnh lưu trung bình của đầu ra khi α = 0

Khi trong bộ chỉnh lưu có mắc các cuộn kháng sang bằng lớn (L = ∞), dòng id cũng sẽ liên tụctrong tất cả các phạm vi làm việc của góc kích α Lúc đó ta cũng có thể xem sơ đồ cầu ba pha bán điều khiển tương đương hai sơ đồ ba pha hình tia mắc nối tiếp và độc lập với nhau

Điện áp chỉnh lưu của sơ đồ này sẽ là tổng các điện áp chỉnh lưu của hai sơ đồ riêng biệt Lúc đó, ta có thể tính:

3 Ưu điểm của mạch chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển:

- Không phụ thuộc vào đặc tính tải

- Giải thích: tất cả các sự phụ thuộc giữa giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu với góc điều khiển α được gọi là đặc tính điều chỉnh của bộ chỉnh lưu

- Trong trường hợp tổng quát khi L = ∞ và điện kháng anode của van Xs = 0 thì được tính bằng công thức:

θθ

π α

d U

π α

d U

2

cos1

63cos2

632

63

απ

απ

=

d d

v v

v d

U U

U U

U U

V Chỉnh lưu điều khiển cầu ba pha:

Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu ba pha:

Sơ đồ cầu ba pha gồm 6 thyristor chia thành 2 nhóm:

- Nhóm cathode chung: T1, T3, T5

- Nhóm anode chung: T4, T6, T2 Góc mở α được tính từ giao điểm của nửa hình sin của các điện áp ngõ vào

1 Tải là R thuần trở và R+L với α = 0:

1.1 Hoạt động:

Khi mạch hoạt động thì dòng điện tải luôn luôn chạy qua hai van Một ở nhóm cathode chung khi điện thế trên anode của nó dương nhất so với điện thế anode của các van khác trong nhóm và ở nhóm anode chung khi điện thế cathode của nó âm nhất so với điện thế trên cathode của các van cùng nhóm

Việc chuyển dòng từ van này sang van khác được tiến hành ở mỗi thời điểm tương ứng của các hình sin điện áp pha ngõ vào

Mỗi van được mở 1/3 chu kỳ và có thứ tự trên hình vẽ dưới đây:

BC

Cầu chỉnh lưu ba pha điều khiển

Điện áp chỉnh lưu Ud gồm điện thế sơ đồ cathode chung được tiến hành theo đường bao của đường cong điện áp pha phía trên và điện thế sơ đồ anode chung biến đổi theo đường bao của đường cong điện áp pha phía dưới Các xung điều khiển thyristor lệch nhau π/3 được lần lượt đưa đến các cực điều khiển G của các thyristor theo thứ tự 1,2,3,4,5,6,1…

Trong một thyristor mở, nó sẽ khóa ngay Thyristor dẫn dòng trước nó

Với quan niệm sơ đồ cầu ba pha có điều khiển tương đương sơ đồ nối tiếp hai sơ đồ

ba pha hình tia có điều khiển và biết bội số đập mạch của điện áp chỉnh lưu p = m =

6, ta có thể sử dụng công thức tổng quát sau để tính giá trị trung bình Ud:

Điện áp trên van của thyristor bằng hiệu số điện thế giữa cathode và anode của nó Điện áp cực đại trên van thyristor của sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển:

Dòng điện id hoàn toàn lặp lại đường cong ud khi bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ thuần trở

2.Tải là R thuần trở (L = 0) và góc α ≠ 0:

Mạch chỉnh lưu điều khiển cầu ba pha làm việc lúc góc kích mở α = 0 tức là làm

απ

π

ππ

ππ

cos6

334

,26

3

33

sin22

3sin2

0 0 0

v v

v d

v d

v d

U U

U U

m U

m U

quat tong thuc cong U

m U

U max = 6 = 1,05