Thiết kế mạch điện tử công suất

NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỚI THAM SỐ CHỈNH LƯU Bộ chỉnh lưu công suất thường làm việc trong lưới điện công nghiệp nên phải chịu ảnh hưởng của các phụ tải khác cùng chung nguồn với nó,

TÀI LIỆU GIẢNG DẠY

-

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Giảng viên: Th.S Nguyễn Đức Điển

Nam Định, tháng 08 năm 2015

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 1

TÀI LIỆU HỌC TẬP VÀ THAM KHẢO

1. Phạm Quốc Hải: “Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất” Nhà xuất bản Khoa

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 2

MỤC LỤC

Chương I CHỈNH LƯU 6

1.1 CÁC THAM SỐ CỦA CHỈNH LƯU VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT 6

1.1.1 Cấu trúc chỉnh lưu 6

1.1.2 Các tham số của mạch chỉnh lưu 7

1.1.3 Yêu cầu kỹ thuật cần cho thiết kế 8

1.2 NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỚI THAM SỐ CHỈNH LƯU 9

1.2.1 Ảnh hưởng của điện áp nguồn 9

1.2.2 Ảnh hưởng của tần số và dạng điện áp nguồn 10

1.2.3 Ảnh hưởng của dòng điện tải 10

1.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ 11

1.3 CÁC MẠCH CHỈNH LƯU CƠ BẢN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG 11

1.3.1 Các sơ đồ chỉnh lưu chính 11

1.3.2 Các dạng tải của chỉnh lưu 14

1.3.3 Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ (hình 1.2a) 15

1.3.4 Chỉnh lưu hình tia hai pha (hình 1.2b) 16

1.3.5 Chỉnh lưu cầu một pha (hình 1.2d) 17

1.3.6 Chỉnh lưu ba pha hình tia (hình 1.2c) 18

1.3.7 Chỉnh lưu cầu ba pha (hình 1.2e) 19

1.3.8 Chỉnh lưu bán điều khiển (hình 1.2h, i, k) 21

1.4 YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI MẠCH ĐIỀU KHIỂN 23

1.5 ĐẶC TÍNH ĐIỀU KHIỂN CỦA THYRISTOR 24

1.5.1 Đặc điểm vùng điều khiển GK của Thyristor 24

1.5.2 Ảnh hưởng của các phần tử nối song song với cực điều khiển 25

1.6 CẤU TRÚC MẠCH ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR 27

1.6.1 Các hệ điều khiển chỉnh lưu 27

1.6.2 Các nguyên tắc điều khiển trong hệ đồng bộ 27

1.6.3 Mạch điều khiển (MĐK) một kênh và nhiều kênh 29

1.7 KHÂU ĐỒNG BỘ 30

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 3

1.7.1 Mạch đồng pha 30

1.7.2 Mạch đồng bộ 32

1.8 KHÂU TẠO ĐIỆN ÁP TỰA 37

1.8.1 Mạch tạo răng cưa tuyến tính hai nửa chu kỳ sử dụng transistor 38

1.8.2 Mạch tạo răng cưa tuyến tính hai nửa chu kỳ sử dụng OA 42

1.9 KHÂU SO SÁNH 46

1.10 KHÂU TẠO XUNG ĐƠN 47

1.11 KHÂU TẠO XUNG KÉP 50

1.11.1 Ghép xung bằng mạch logic OR 51

1.11.2 Ghép xung bằng diode 51

1.12 KHÂU TẠO XUNG CHÙM 52

1.12.1 Các bộ tạo dao động (multivibrator) 54

1.12.2 Mạch trộn xung có độ rộng (180o-α) 55

1.13 KHÂU TÁCH XUNG 57

1.14 KHÂU KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT XUNG ĐIỀU KHIỂN 57

1.14.1 Khuếch đại xung ghép trực tiếp 58

1.14.2 Khuếch đại xung ghép qua phần tử quang 61

1.14.3 Khuếch đại xung ghép bằng biến áp xung 61

1.15 KHÂU TẠO ĐIỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN 64

1.15.1 Tạo điện áp điều khiển 64

1.15.2 Mạch hạn chế góc điều khiển 76

1.15.3 Mạch hạn chế gia tốc điện áp 77

1.16 NGUỒN CUNG CẤP CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN 77

1.16.1 Giới thiệu chung 77

1.16.2 Nguồn một chiều ổn áp theo cấp chuẩn 78

1.17 VÍ DỤ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU 81

1.17.1 Mạch phát xung đơn không có khâu tách xung 81

1.17.2 Mạch phát xung chùm, có khâu tách xung 82

1.16.3 Mạch điều khiển chỉnh lưu ba pha 85

Chương II ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 88

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 4

2.1 CÁC ĐẶC ĐIỂM CHUNG 88

2.2 ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA 89

2.2.1 Mạch lực 89

2.2.2 Mạch điều khiển 93

2.3 ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA 94

2.3.1 Mạch lực 94

2.3.2.Mạch điều khiển 97

Chương III BĂM XUNG MỘT CHIỀU 100

3.1 NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA BĂM XUNG MỘT CHIỀU 100

3.2 BĂM XUNG MỘT CHIỀU KHÔNG ĐẢO CHIỀU 102

3.2.1 Băm xung một chiều nối tiếp “Buck chopper” 102

3.2.2 Băm xung một chiều song song “Boost” 103

3.2.3 Băm xung một chiều kiểu nối tiếp – song song (Buck-Boost) 104

3.3 ĐIỀU KHIỂN BĂM XUNG MỘT CHIỀU 105

3.3.1 Cấu trúc điều khiển 105

3.3.2 Phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa 107

3.3.3 Khuếch đại xung (Drive) 112

3.4 BĂM XUNG MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU 122

3.4.1 Phương pháp điều khiển riêng 122

3.4.2 Phương pháp điều khiển đối xứng 124

3.4.3 Phương pháp điều khiển không đối xứng 127

3.5 MỘT SỐ VÍ DỤ BĂM XUNG MỘT CHIỀU 129

3.5.1 Băm xung một chiều không đảo chiều 129

3.5.2 Ví dụ băm xung một chiều đảo chiều 133

Chương IV NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP VÀ BIẾN TẦN 139

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG 139

4.1.1 Nghịch lưu độc lập 139

4.1.2 Biến tần 140

4.2 NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP MỘT PHA 142

4.2.1 Mạch lực 142

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 5

4.2.2 Bộ lọc tần số đầu ra nghịch lưu 144

4.2.3 Điều chế SPWM cho nghịch lưu độc lập điện áp một pha 145

4.3 Nghịch lưu độc lập điện áp ba pha 147

4.3.1 Các đặc điểm chính 147

4.3.2 Điều chế SPWM cho nghịch lưu độc lập điện áp ba pha 148

4.4 Điều khiển nghịch lưu 150

4.4.1 Điều khiển nghịch lưu điện áp đơn giản 151

4.4.2 Mạch điều khiển nghịch lưu điện áp với phương pháp SPWM 153

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 6

Chương I CHỈNH LƯU

1.1 CÁC THAM SỐ CỦA CHỈNH LƯU VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT

1.1.1 Cấu trúc chỉnh lưu

Bộ chỉnh lưu (BCL) dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều cấp cho tải Lĩnh vực ứng dụng của bộ chỉnh lưu rất rộng rãi vì chủng loại tải dùng dòng điện một chiều rất đa dạng Đó là các động cơ điện một chiều, cuộn hút nam châm điện, rơle điện từ, bể mạ điện, thiết bị điện phân …Đại đa số các thiết bị điện tử cũng hoạt động ở điện áp một chiều nên để lấy năng lượng từ lưới điện xoay chiều cũng phải thông qua mạch chỉnh lưu Sơ đồ cấu trúc của BCL như hình 1.1

Id

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc bộ chỉnh lưu

BAL – biến áp lực có chức năng chuyển cấp điện áp và số pha chuẩn của lưới điện sang giá trị điện áp và số pha thích hợp với mạch chỉnh lưu – tải Nếu cả điện áp và số pha nguồn đã phù hợp với tải có thể không cần dùng BAL khi sử dụng sơ đồ đấu van kiểu cầu, trường hợp dùng sơ đồ đấu van hình tia luôn bắt buộc phải có BA

MV – mạch van, các van bán dẫn được đấu theo một kiểu sơ đồ nào đó, ở đây trực tiếp thực hiện một sơ đồ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Vì vậy đây là một khâu không thể thiếu trong sơ đồ mạch chỉnh lưu

MĐK – mạch điền khiển Khi mạch van sử dụng van bán dẫn điều khiển được (như thyristor ) sẽ có mạch này để thực hiện việc cho van dẫn dòng vào các thời điểm cần thiết nhằm khống chế năng lượng đưa ra tải Khi dùng van điốt sẽ không có mạch này Tùy thuộc van sử dụng mà các chỉnh lưu được phân thành ba loại sau:

• Nếu các van đều là thyristor thì gọi là chỉnh lưu điều khiển

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 7

• Nếu van được dùng là điốt, gọi là chỉnh lưu không điều khiển

• Nếu mạch van dùng cả điốt và thyristor, gọi là chỉnh lưu bán điều khiển LSB – mạch lọc san bằng Khâu này nhằm đảm bảo điện áp hay dòng điện ra bằng phẳng theo mong muốn của tải Nếu điện áp sau MV đã đạt yêu cầu có thể bỏ khâu LSB

HT – khối hỗ trợ, gồm các mạch giúp theo dõi và đảm bảo BCL hoạt động bình thường, thí dụ như mạch tín hiệu, mạch đo lường điện áp và dòng điện, mạch bảo vệ, nguồn một chiều ổn định cho mạch điều khiển và khống chế

Nhiệm vụ của người thiết kế là xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật cụ thể của BCL để xây dựng sơ đồ cấu trúc các khâu chức năng cần có Từ đó tiến hành triển khai tính toán tỉ mỉ từng khâu để có một BCL hoàn chỉnh Trong chương này sẽ trình bày chi tiết trình tự thiết kế BCL, trước tiên người thiết kế phải có hiểu biết những vấn đề cơ bản trong thiết

kế BCL được đề cấp trong các mục đầu tiên dưới đây

1.1.2 Các tham số của mạch chỉnh lưu

Để phân tích và đánh giá BCL, thường dựa vào các tham số chính sau:

1 Điện áp nguồn xoay chiều định mức: U1đm (V)

2 Tần số điện áp nguồn định mức: f (Hz) và phạm vi biến thiên của nó

3 Phạm vi biến thiên điện áp nguồn U1min, U1max hoặc độ biến thiên điện áp tương đối

4 Điện áp đầu ra một chiều định mức Udđm (V)

5 Phạm vi điều chỉnh điện áp ra: Udmin, Udmax

6 Dòng điện tải định mức của bộ chỉnh lưu Idđm

7 Phạm vi biến thiên dòng điện tải Idmin, Idmax

8 Biên độ đập mạch điện áp ra:U1max (đây là biên độ sóng hài cơ bản của điện áp một chiều ở đầu ra theo khai triển Furier )

9 Hệ số đập mạch điện áp ra:

1 ax 0

m dm

∆

=

∆

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 8

11 Điện trở động của chỉnh lưu d

d d

dU r dI

= , (tỉ số giữa độ biến thiên điện áp ra do sự đột biến và dòng điện tải gây ra)

12 Hiệu suất bộ chỉnh lưu: d

v

P r P

η= = , trong đó Pd là công suất nhận được phía một chiều, còn Pv là công suất tiêu thụ lấy từ nguồn điện xoay chiều

1.1.3 Yêu cầu kỹ thuật cần cho thiết kế

Để có thể thiết kế một BCL hoàn chỉnh cần biết trước các số liệu và yêu cầu kỹ thuật sau:

1.1.3.1 Các số liệu và yêu cầu của nguồn xoay chiều cấp cho BCL

1 Giá trị định mức của điện áp xoay chiều: Uđm (V)

2 Số pha nguồn

3 Tần số lưới (Hz)

4 Độ dao động điện áp nguồn: ∆U

5 Độ dao động tần số ∆f

6 Độ mất đối xứng giữa các pha

7 Độ méo điện áp nguồn

8 Sụt áp đột biến lớn nhất: ∆Umax và thời gian tồn tại sụt áp này

1.1.3.2 Các số liệu và yêu cầu từ phía tải của chỉnh lưu

1 Điện áp ra tải định mức (Giá trị trung bình): Udđm

2 Phạm vi điều chỉnh điện áp và độ trơn điều chỉnh

3 Phạm vi biến thiên của dòng điện tải: Itmin Itmax

4 Quy luật thay đổi dòng điện tải(nhanh, chậm, đột biến…)

5 Dao động điện áp ra cho phép ∆Uracp khi điện áp nguồn thay đổi trong phạm vi tối

đa

6 Nội trở nguồn chỉnh lưu hay ∆Ura khi dòng tải biến thiên từ Itmin Itmax

7 Tổng sai số điện áp ra cho phép dưới tác động của tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến

nó

8 Điện trở động của nguồn hay (hay đặc tính tần số)

9 Điều kiện môi trường làm việc của bộ chỉnh lưu: nhiệt độ, độ ẩm, độ rung, độ va đập…

10 Độ tin cậy của bộ chỉnh lưu, hệ số dự phòng

11 Độ chính xác điều chỉnh

12 Phương pháp làm mát

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 9

13 An toàn lao động (đầu ra chỉnh lưu được nối với vỏ hay phải cách li vỏ)

14 Vấn đề bảo vệ quá áp cho tải

15 Các mạch tín hiệu hóa cần có

16 Thời gian khởi động nhỏ nhất, lớn nhất

17 Các yêu cầu và kích thước và trọng lượng của thiết bị

18 Phương thức theo dõi và kiểm tra điện áp và dòng điện ra tải

19 Hiệu suất của thiết bị

20 Hệ số đập mạch điện áp (hay dòng điện) ra tải cho phép

21 Ngoài ra còn có các những đòi hỏi không được đề cập trong yêu cầu kỹ thuật Song người thiết kế bắt buộc phải thực hiện (như bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ các sự

cố, phần chỉ thị trạng thái thiết bị…) Mặt khác nhiều khi người thiết kế phải tự xác định hoặc đưa ra một số tham số theo kinh nghiệm mà người đặt hàng không nắm được do không hiểu hết các vấn đề kỹ thuật đặt ra

1.2 NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỚI THAM SỐ CHỈNH LƯU

Bộ chỉnh lưu công suất thường làm việc trong lưới điện công nghiệp nên phải chịu ảnh hưởng của các phụ tải khác cùng chung nguồn với nó, hay những biến động do hệ thống cung cấp điện đem tới Mặt khác tải cũng có những ảnh hưởng đáng kể tới BCL Vì vậy cần biết điều này có thể tiên liệu các giải pháp phù hợp khi thiết kế

1.2.1 Ảnh hưởng của điện áp nguồn

Điện áp nguồn thường có độ dao động quy chuẩn là 5%, tuy nhiên trên thực tế ở nhiều khu vực có độ dao động điện áp lớn hơn nhiều và có thể lên tới +10% và -20%

Độ dao động điện áp này ảnh hưởng trực tiếp và rõ rệt đến điện áp ra của mạch chỉnh lưu ngoài ra còn có tác động thêm của các yếu tố sau:

1 Sụt áp trên dây dẫn nguồn

2 Biến áp nguồn cung cấp thường cho phép sai số về các mức điện áp ra

3 Các mạch chỉnh lưu có nội trở nhất định, khi nguồn biến động dẫn đến điện áp ra thay đổi làm dòng tải biến thiên, vì vậy điện áp trên nội trở sẽ thay đổi và tác động trở lại điện áp ra

4 Dòng tải thay đổi làm điện trở dây dẫn thay đổi

Vì vậy ngay cả khi điện áp nguồn ổn định, không thay đổi thì các yếu tố trên đã làm điện áp ra sai lệch từ 3% đến 15% Nếu cộng thêm ảnh hưởng của nguồn thì sai số này lên tới 10% đến 20%

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 10

Khi sử dụng các mạch chỉnh lưu ba pha, độ mất đối xứng của điện áp nguồn sẽ làm xuất hiện thêm sự sai lệch điện áp ra, mặt khác còn làm tăng thêm độ đập mạch

Với các bộ chỉnh lưu công suất lớn ( 100 kW) lại ở xa trạm biến thế cần cố gắng

sử dụng cấp điện áp nguồn cao hơn để giảm chi phí về dây dẫn

Khi các bộ chỉnh lưu làm việc trong một mạng cấp điện có các động cơ điện công suất công suất lớn cần chú ý ảnh hưởng của chúng Lúc các động cơ này khởi động sẽ làm xuất hiện sụt áp trên mạng có thể lên tới 20% Độ sụt áp này có thể làm cho bộ chỉnh lưu ngừng hoạt động do tác động của mạch bảo vệ hay các phần tử khống chế (như rơle, công-tắc-tơ bị nhả ra) Như vậy ta cần thiết kế mạch tác động trễ để tránh hiện tượng này Còn khi các động cơ đang chạy mà dừng sẽ gây ra các xung điện áp trong thời gian ngắn (thường không quá vài giây), tuy nhiên nó có thể phá hỏng các phần tử nhập áp như các van bán dẫn, tụ điện hoặc đánh thủng cách điện giữa các cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp Vì vậy khi thiết kế cần tính đến nó để chọn các phần tử có đủ độ dự trữ về điện

áp

1.2.2 Ảnh hưởng của tần số và dạng điện áp nguồn

Tần số cung cấp ảnh hưởng lớn đến chỉ tiêu về trọng lượng và kích thước bộ chỉnh lưu Đa số các bộ chỉnh lưu làm việc với tần số 50Hz; tuy nhiên cũng có một số làm việc với tần số 400Hz, có khi tới 1- 2 kHz Nếu so sánh hai bộ chỉnh lưu có cùng chỉ tiêu kỹ thuật thì chỉnh lưu làm việc với tần số 400Hz có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn 3 4 lần so với loại làm việc ở tần số 50Hz Về bộ lọc còn giảm đi tới vài chục lần Tuy nhiên

bộ chỉnh lưu ở tần số cao hơn có tổn hao công suất và sụt áp trên dây dẫn lớn hơn, còn tụ lọc ở tần số cao cũng có tổn thất cao hơn( và phải giảm độ đập mạch cho phép lên chúng)

Nếu nguồn xoay chiều có độ méo dưới 5 6% thì có thể coi nguồn là hình sin Khi

độ méo lớn hơn sẽ làm chỉ số của dụng cụ đo lường (kể cả đo trị số hiệu dụng và trung bình) bị sai lệch nhiều Điều này thường xuất hiện khi nguồn yếu hoặc trong mạng có nhiều thiết bị sử dụng van thyristor hoặc các khuếch đại từ

1.2.3 Ảnh hưởng của dòng điện tải

Bất cứ bộ chỉnh lưu nào cũng có nội trở, do đó khi dòng điện tải biến thiên sẽ làm điện áp ra bị thay đổi Vì vậy cần cố gắng giảm nội trở của bộ chỉnh lưu Dây dẫn từ chỉnh lưu tải cũng ảnh hưởng lớn đến nội trở chung, nhất là với các tải có điện áp làm việc thấp và dòng tải lại lớn, trong những trường hợp này cần đặt bộ chỉnh lưu gần tối đa với tải

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 11

Nếu dòng tải có khả năng biến đổi đột ngột sẽ làm tăng nỗi trở động của mạch chỉnh lưu Đặc biệt là khi có mạch lọc LC và lại rơi vào chế độ mà tần số xung dòng điện bằng tần số dao động riêng của mạch LC sẽ dẫn đến điện trở động lớn hơn rất nhiều so với nội trở tĩnh Ngoài ra mạch lọc loại này cũng sẽ làm xuất hiện các biến động điện áp khi đóng và ngắt tải

1.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Trong bộ chỉnh lưu có khá nhiều phần tử chịu ảnh hưởng của nhiệt độ: tụ hóa, điện trở và nhất là linh kiện bán dẫn như điốt, thyristor, transitor…Để đảm bảo bộ chỉnh lưu hoạt động tin cậy và lâu dài phải tính đến toàn bộ các yếu tố về nhiệt như: nhiệt độ môi trường, nhiệt độ cục bộ, độ phát nhiệt trên các phần tử …sao cho các linh kiện và các phần tử không làm việc ở gần mức giới hạn cho phép về nhiệt Thông thường các linh kiện có độ dự trữ tối thiểu sau:

• Điện trở phải có độ dự trữ 1,5 về công suất phát nhiệt

• Tụ điện phải có độ dự trữ 1,7 về điện áp

• Van bán dẫn phải có độ dự trữ 1,7 về điện áp

Với môi trường nhiệt đới cần phải tăng độ dự trữ cao hơn nữa

1.3 CÁC MẠCH CHỈNH LƯU CƠ BẢN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG

1.3.1 Các sơ đồ chỉnh lưu chính

Số lượng sơ đồ mạch chỉnh lưu khá đa dạng, song chủ yếu là một số mạch cơ bản xem trên hình 1.2, các tham số cơ bản để đánh giá chúng và làm cơ sở để tính toán phân tích và thiết kế xem trong bảng 1.1 Các mạch chỉnh lưu cơ bản gồm 9 sơ đồ sau:

1 Chỉnh lưu một pha một nửa chu kì (chỉnh lưu hình tia một pha), hình 1.2a

2 Chỉnh lưu một pha có điểm trung tính (chỉnh lưu hình tia hai pha), hình 1.2b

3 Chỉnh lưu hình tia ba pha, hình 1.2c

4 Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển, hình 1.2d

5 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển, hình 1.2e

6 Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng (đấu song song hai mạch chỉnh lưu hình tia ba pha), hình 1.2g

7 Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển có thyristor đấu thẳng hàng, hình 1.2h

8 Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển với thyristor đấu katot chung, hình 1.2i

9 Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển với thyristor đấu katot chung, hình 1.2k

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 12

Hình 1.2 Các sơ đồ chỉnh lưu cơ bản

Trong các sơ đồ trên không trình bày mạch chỉnh lưu không điều khiển, vì chỉ cần thay toàn bộ van thyristor bằng diode là có loại mạch này, trong khi mục đích chính của chỉnh lưu là điều chỉnh được công suất ra tải theo yêu cầu thì chỉnh lưu diode không đáp ứng được Tuy nhiên khi tính toán, cần lưu ý rằng chỉnh lưu mang cùng tên thì dù là không điều khiển (dùng toàn diode), chỉnh lưu điều khiển (dùng toàn thyristor), hoặc chỉnh lưu bán điều khiển đều dùng chung một bảng tham số của kiểu đó, sự khác nhau chỉ thể hiện ở:

• Chỉnh lưu diode không cho phép điều chỉnh điện áp ra

• Chỉnh lưu điều khiển và bán điều khiển cho phép điều chỉnh điện áp ra, song với quy luật khác nhau Tuy nhiên, khi điều chỉnh lớn nhất có thể, thì hai loại điều khiển cũng chỉ đạt được điện áp ra bằng với chỉnh lưu diode

Chính vì vậy bảng 1.1 không có sự phân biệt về chỉnh lưu điều khiển hay không điều khiển

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 13

Bảng 1.1

Chú thích bảng 1.1:

Ud0 – trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu diode hay chỉnh lưu điều khiển khi α=0

U2 – trị số hiệu dụng của điện áp pha cuộn thứ cấp máy biến áp nguồn

Iv – trị số trung bình của dòng điện qua van

Ungmax – điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu khi làm việc

I2 – trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp máy biến áp nguồn

Id – trị số trung bình dòng điện tải ra

I1- trị số hiệu dụng dòng điện cuộn sơ cấp máy biến áp nguồn

kba – hệ số máy biến áp nguồn

Sba – công suất tính toán máy biến áp nguồn

Pd – công suất một chiều trên tải

∆Uγ – sụt áp do điện cảm phía xoay chiều La gây ra ∆Uγ=kγ2πf.LaId

mđm – số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ lưới xoay chiều

U k U

= , trong đó U1m là biên độ sóng hài

cơ bản của điện áp chỉnh lưu theo khai triển Furier

hγ – hệ số sơ đồ để tính góc trùng dẫn γ theo biểu thức chung:

γ

α γ+ = α−

1.3.2 Các dạng tải của chỉnh lưu

Tải cho chỉnh lưu có 3 dạng thường gặp như hình 1.3

Hình 1.3 Các dạng tải của chỉnh lưu

1.3.2.1 Tải thuần trở Rd (hình 1.3a)

Dạng tải này được sử dụng để phân tích nguyên lý làm việc và tính toán các tham số của mạch chỉnh lưu bảng 1.1 Dạng dòng điện tải id hoàn toàn giống với dạng điện áp nhận được Ud Trong thực tế ít gặp tải thuần trở

1.3.2.2 Tải có tính cảm kháng RdLd (hình 1.3b)

Đặc điểm của tải dạng này là làm dạng dòng điện tải id không giống dạng điện áp

Ud, nếu điện cảm đủ lớn sẽ làm dòng điện trở lên bằng phẳng, nên các hình vẽ dưới đây

đồ thị dòng tải sẽ vẽ thẳng cho đơn giản So với tải Rd thì tải này gặp nhiều hơn, như các cuộn dây nam châm điện, cuộn kích từ động cơ một chiều, kích từ động cơ xoay chiều…

1.3.2.3 Tải vừa có RdLd vừa có sức điện động Ed (gọi là tải RLE) (hình 1.3c)

Đây là dạng tải gặp nhiều nhất trong thực tế như: bể điện phân, bể mạ, acquy, sức điện động phần ứng của động cơ một chiều …Đặc điểm của dạng tải này có nhiều điểm chung với tải RdLd, nhất là khi dòng điện tải phẳng, tuy nhiên Ed sẽ ảnh hưởng đến trị số dòng tải vì thường có chiều chống lại điện áp chỉnh lưu Ud

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 15

Nhìn chung các dạng tải trên của chỉnh lưu nêu trên, trong quá trình điều chỉnh điện

áp ra sẽ xảy ra hai trường hợp đối với dòng điện tải:

1 Dòng điện id bị gián đoạn, lúc có lúc mất, làm cho năng lượng không được cấp thường xuyên cho tải, do vậy là không thuận lợi Trường hợp này hay gặp ở tải thuần trở hoặc tải có điện cảm Ld nhỏ

2 Dòng điện tải liên tục, tải luôn nhận được năng lượng, và do đó là thuận lợi hơn Trường hợp này xảy ra khi điện cảm Ld đủ lớn Vì dòng điện tải liên tục là chế

độ mong muốn nên thường tính toán để có chế độ này

1.3.3 Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ (hình 1.2a)

Đồ thị làm việc với tải thuần trở trên hình 1.5 Do các chỉ tiêu kỹ thuật kém (bảng 1.1), loại này chỉ dùng cho tải rất nhỏ (dưới 100mA), thường dùng phương pháp lọc bằng

tụ điện Riêng khi mạch có thêm diode đệm D0 thì có thể dùng cho tải có tính điện cảm lớn như cuộn hút nam châm, cuộn dây kích từ của máy phát điện, ly hợp điện từ, …với dòng tải lớn đến vài chục ampe Luật điều chỉnh là:

- α được gọi là “góc điều khiển” , hoặc “góc mở thyristor” (hình 1.4) Thực chất đây

là góc độ điện tương ứng với thời điểm có xung điều khiển xuất hiện kể từ khi điện áp giữa hai cực A-K thyristor là dương

a)

b)

Hình 1.4 Đồ thị minh họa góc điều khiển α

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 16

a

a) Tải thuần trở

b) Tải RL

Hình 1.5 Đồ thị chỉnh lưu một pha một nửa chu

- Udo là giá trị điện áp ra tải lớn nhất mà chỉnh lưu điều khiển có thể đạt tới, tức là

nó tương ứng với trường hợp điều khiển với α=0, đây cũng là giá trị điện áp của chỉnh lưu diode Như vậy có thể hiểu ký tự “o” vừa là điện áp Ud(α=0), vừa như điện áp của chỉnh lưu “không” điều khiển

Theo đồ thị với tải thuần trở ta thấy khi điều chỉnh điện áp ra thì dòng tải luôn bị gián đoạn

1.3.4 Chỉnh lưu hình tia hai pha (hình 1.2b)

Mạch này được sử dụng nhiều trong dải công suất nhỏ Với cấp điện áp dưới 100V vào dòng tải không lớn hơn vài ampe thường dùng lọc bằng tụ điện Trường hợp dùng kiểu lọc điện cảm thì dòng điện tải cho phép tăng đến hàng chục ampe Loại chỉnh lưu này chiếm ưu thế so với chỉnh lưu sơ đồ cầu khi điện áp ra tải thấp dưới 10V, do sụt áp trong mạch van thấp hơn Nhược điểm chính của chỉnh lưu hình tia là buộc phải có biến

áp nguồn để tạo điểm giữa cho mạch hoạt động được, mặt khác công suất máy biến áp lớn gấp 1,5 lần so với công suất một chiều cần thiết của tải Hình 1.5 là đồ thị minh họa hoạt động của các dạng tải, Ig là các xung dòng điện đưa vào cực điều khiển của các thyristor ở thời điểm góc α quy định, xung của hai van cách nhau đúng một nửa chu kỳ điện áp nguồn (1800 điện)

- Với dạng tải thuần trở (hình 1.6a) dòng id đồng dạng với ud và cũng tuân theo luật (1.1) với một sự khác biệt là Udo=0,9U2

- Với tải RL hoặc RLE, với giả thiết là điện cảm Ld đủ lớn để coi dòng điện tải id

liên tục và phẳng (đồ thị hình 1.6b), sẽ có chung một quy luật điều chỉnh:

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 17

d cos

Trong đó ∆Uγ là sụt áp do chuyển mạch trùng dẫn

a) Tải thuần trở b) Tải RL hoặc RLE (dòng liên tục)

Hình 1.6 Đồ thị làm việc của chỉnh lưu hình tia hai pha

Sự khác biệt giữa hai dạng thể hiện ở biểu thức dòng tải:

- Tải RL: d

d d

U I R

1.3.5 Chỉnh lưu cầu một pha (hình 1.2d)

Chỉnh lưu cầu được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế, nhất là với cấp điện áp ra từ 10V trở lên Dòng tải có thể lên đến 100 ampe Một trong những ưu điểm hơn hăn của nó

so với hình tia là không nhất thiết phải có biến áp nguồn: khi điện áp ra tải phù hợp với cấp điện áp nguồn xoay chiều, ta có thể mắc trực tiếp mạch chỉnh lưu vào lưới điện Do

số lượng van phải gấp đôi sơ đồ hình tia nên sụt áp trong mạch van cũng tăng gấp đôi, vì vậy nó không thích hợp với tải cần dòng lớn nhưng điện áp ra lại nhỏ

Quy luật điều chỉnh của chỉnh lưu cầu một pha với các dạng tải tương tự chỉnh lưu hình tia hai pha

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 18

a) Tải thuần trở (dòng điện gián đoạn)

b) Tải RL hoặc RLE (dòng tải liên tục)

Hình 1.7 Đồ thị làm việc của chỉnh lưu cầu một pha 1.3.6 Chỉnh lưu ba pha hình tia (hình 1.2c)

Chỉnh lưu dạng này có đặc điểm tương tự như chỉnh lưu tia một pha: cần có biến áp nguồn để có điểm trung tính đưa ra tải, công suất máy biến áp này lớn hơn công suất một chiều 1,35 lần, tuy nhiên sụt áp trong mạch van nhỏ nên thích hợp với phạm vi điện áp làm việc thấp Vì sử dụng nguồn ba pha nên cho phép nâng công suất tải lên nhiều (đến vài trăm Ampe), mặt khác độ đập mạch của điện áp ra sau mạch chỉnh lưu giảm đáng kể nên kích thước bộ lọc cũng nhỏ đi

Hình 1.8 là đồ thị làm việc với các dạng tải Có một số lưu ý sau:

- Điểm tính góc điều khiển các van không phải qua 0 của điện áp nguồn, mà chậm pha hơn một góc 300 điện, tương ứng với điểm giao nhau của điện áp pha nguồn Xung điều khiển các van lệch nhau 1/3 chu kỳ, tức 1200 điện

- Giá trị Ud0 = 1,17U2

- Với tải thuần trở có đồ thị hình 1.8a, có thể là:

• Dòng tải gián đoạn khi α > 300 với quy luật điều chỉnh:

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 19

- Với tải RL hay RLE (hình 1.8b) các quy luật tương tự như chỉnh lưu hình tia hai pha

a) Tải thuần trở (dòng tải gián đoạn) b) Tải RL hoặc RLE (dòng tải liên tục)

Hình 1.8 Đồ thị làm việc của chỉnh lưu hình tia ba pha 1.3.7 Chỉnh lưu cầu ba pha (hình 1.2e)

Đây là loại được sử dụng nhiều nhất trong thực tế

a) Góc điều khiển và dạng xung mở van b) Đồ thị dòng điện

Hình 1.9 Đồ thị làm việc của chỉnh lưu cầu ba pha

- Xung điều khiển được phát lần lượt theo đúng thứ tự đánh số từ T1 đến T6 cách nhau 600 điện, còn trong mỗi nhóm thì xung phát cách nhau 1200

- Để thông mạch điện tải cần hai van cùng dẫn, trong đó mỗi nhóm phải có một van tham gia, do đó hai van có thứ tự cạnh nhau phải được phát xung cùng lúc Vì vậy dạng xung là xung kép: xung thứ nhất được xác định theo góc điều khiển cần có, xung thứ hai

là đảm bảo điều kiện thông mạch, thực tế là xung của van khác gửi đến: ví dụ xung ig của van T1 đồng thời gửi đến van T6, sau đó đến lần lượt xung của T2 sẽ gửi đến van T1… Qui luật điều chỉnh:

- Giá trị Udo=2,34U2

- Với tải thuần trở (đồ thị 1.9a), có thể là:

• Dòng điện tải gián đoạn khi α > 600 với quy luật điều chỉnh:

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 21

- Với tải RL hay RLE (hình 1.9b ở đó không vẽ ảnh hưởng của trùng dẫn) các quy luật tương tự như chỉnh lưu hình tia hai pha

1.3.8 Chỉnh lưu bán điều khiển (hình 1.2h, i, k)

Chỉ sơ đồ cầu có loại mang tên “bán điều khiển”, trong đó một nửa số van là điều khiển (thyristor), nửa còn lại dùng van không điều khiển (diode)

a) Sơ đồ thyristor mắc thẳng hàng b) Sơ đồ thyristor mắc katot chung

Hình 1.10 Đồ thị làm việc của chỉnh lưu bán điều khiển một pha

Chỉnh lưu bán điều khiển có ưu điểm:

- Đơn giản hơn cả về lực và điều khiển

- Cho phép đấu trực tiếp mạch điều khiển với mạch lực khi các thyristor chung katot

- Giá thành rẻ hơn

- Tiết kiệm năng lượng hơn (hệ số cosφ cao hơn chỉnh lưu điều khiển) Điều này là

do có nhưng giai đoạn làm việc, dòng tải sẽ chảy quẩn qua hai van mắc thẳng hàng mà không về nguồn, tức là năng lượng được giữ trong tải mà không mất về nguồn Trên đồ

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 22

thị đó là các giai đoạn mà nếu với chỉnh lưu điều khiển thì điện áp ud âm, còn ở đây lại bằng 0, do các van thẳng hàng dẫn làm ngắn mạch đầu ra

Nhược điểm chung của loại này là:

- Không thực hiện được quá trình nghịch lưu;

- Không ứng dụng được cho tải phải đảo chiều dòng tải (chỉnh lưu đảo chiều)

Trong thực tế chỉnh lưu bán điều khiển khá thông dụng cho các ứng dụng không đòi hỏi đảo chiều dòng điện tải như các bộ điều chỉnh tốc độ cho động cơ điện một chiều, bộ nạp acquy tự động…

Cần lưu ý rằng khi tính toán thiết kế, chỉnh lưu bán điều khiển được lấy theo tham

số của chỉnh lưu điều khiển (dùng tất cả van là thyristor) cùng loại mà không có bảng tham số riêng

Chỉnh lưu bán điều khiển thường làm việc ở chế độ dòng điện liên tục và có chung qui luật điều chỉnh dạng:

của bán điều khiển kém hơn

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 23

Hình 1.11 Đồ thị của chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển (dòng liên tục)

Trong thực tế, để có thể lấy được các ưu điểm của chỉnh lưu bán điều khiển, đôi khi người ta đấu song song đầu ra chỉnh lưu điều khiển một diode D0 (xem hình 1.2a) gọi là diode đệm, tác dụng của diode này làm cho mạch hoạt động tương tự như chỉnh lưu bán điều khiển

1.4 YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Mạch điều khiển (MĐK) chỉnh lưu cần thực hiện các nhiệm vụ chính sau:

1 Phát xung điều khiển ( xung để mở van ) đến các van lực theo đúng pha và với góc điều khiển α cần thiết

2 Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển αmin ÷ αmax tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải của mạch lực

3 Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải yêu cầu như chế độ khởi động, chế độ nghịch lưu, các chế độ dòng điện liên tục hay gián đoạn, chế độ hãm hay đảo chiều điện áp v.v

4 Có độ đối xứng xung điều khiển tốt , không vượt quá 1 ÷ 3 độ điện, tức là góc điều khiển với mọi van không được lệch quá giá trị trên

5 Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động cả

về giá trị điện áp và tần số

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 24

6 Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt

7 Độ tác động của mạch điều khiển nhanh , dưới 1ms

8 Thực hiện các yêu cầu về bảo vệ bộ chỉnh lưu từ phía điều khiển nếu cần như ngắt xung điều khiển khi sự cố, thông báo các hiện tượng không bình thường của lưới và bản thân bộ chỉnh lưu v.v

9 Đảm bảo xung điều khiển

phát tới các van lực phù hợp để mở

chắc chắn van, có nghĩa là phải thoả

mãn các yêu cầu:

+ Đủ công suất (về điện áp và

dòng điện điều khiển Uđk, Iđk)

+ Có sườn xung dốc đứng để mở

van chính xác vào thời điểm qui định,

thường tốc độ tăng áp điều khiển phải

đạt 10V/ µs, tốc độ tăng điều khiển

0,1A/ µs

+ Độ rộng xung điều khiển đủ cho dòng qua van kịp vượt trị số dòng điện duy trì Idt của nó, để khi ngắt xung van vẫn giữ được trạng thái dẫn Thực tế độ rộng xung điều khiển cần cỡ trên 500µs là đảm bảo mở van với các dạng tải

+ Có dạng phù hợp với sơ đồ chỉnh lưu và tính chất tải Có bốn dạng xung điều khiển phổ biến là xung đơn, xung kép, xung rộng và xung chùm (hình 1.12)

1.5 ĐẶC TÍNH ĐIỀU KHIỂN CỦA THYRISTOR

1.5.1 Đặc điểm vùng điều khiển GK của Thyristor

Vùng giữa cực G (gate) và cực K (katot) là miền điều khiển mở thyristor: hình 1.13a là cấu trúc bán dẫn và hình 1.13b là ký hiệu Quá trình trong van chia thành ba giai đoạn

Đặc điểm khi thyristor đang khóa

Khi thyristor chưa dẫn dòng điện (Ia=0), miền điều khiển GK có thế thay thế bằng

sơ đồ hình 1.30c và có đặc tính dạng parabol (đường 1, hình 1.30d) Trong đó Rg đặc trưng cho điện trở dọc theo lớp bán dẫn p2, Rs đặc trưng cho điện trở xuyên ngẫu nhiên giữa GK (gọi là hiệu ứng shunt emiter), trị số Rg, Rs phụ thuộc cụ thể vào từng loại

Hình 1.12 Các dạng xung điều khiển để

kích mở van thyristor

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 25

thyristor Miền quá độ p2-n2 đặc trưng bằng diode ổn áp chứ không phải bằng diode vì khi thyristor chịu điện áp ngược thì nó sẽ thông ở mức điện áp 5 đến 20V

Đặc điểm khi thyristor vừa mới mở

Khi đặt điện áp thuận lên thyristor (UAK>0) và cho dòng điều khiển xuất hiện sẽ làm thyristor mở ra, dòng Ia xuất hiện làm đặc tính miền này khác đi (đường 2, hình 1.30d) vì qua quá độ còn có dòng van Ia đi qua Càng tăng UGK thì dòng qua van càng lớn làm cho điện trở động của miền quá độ giảm dần tới bằng không và sau đó là âm nữa Khi đường đặc tính tải (đường 3) của nguồn UAK tiếp tuyến với đặc tính của cực điều khiển (đường 2) thì thyristor chuyển từ trạng thái khóa sang dẫn, trên đồ thị là điểm M

Hình 1.13 Đặc tính điều khiển của Thyristor

Đặc điểm khi thyristor đã dẫn

Khi van đã dẫn hoàn toàn và trị số dòng điện qua van lớn hơn giá trị duy trì để van

tự giữ trạng thái mở của nó (Ia>Idt) thì:

- Điện áp rơi trên quá độ GK sẽ xấp xỉ điện áp rơi trên van (U GK ≈U AK )

- Điện trở vùng GK còn lại bằng Rg

1.5.2 Ảnh hưởng của các phần tử nối song song với cực điều khiển

Ảnh hưởng của điện trở nối song song với cực điều khiển

Điện trở này ảnh hưởng rất lớn đến thyristor:

- Làm tăng giá trị dòng qua van Ia cần thiết để mở được và duy trì cho van dẫn vì điện trở này rẽ nhánh dòng Ia qua nó

- Hạn chế ảnh hưởng của tốc độ tăng áp du/dt, nó sẽ dẫn bớt dòng ký sinh có hại này qua nó, giảm bớt tác động này đến cực điều khiển

- Các thyristor có độ nhạy cao thường bắt buộc phải có điện trở này để dẫn dòng nhiệt (dòng điện rò) qua nó, để tránh thyristor bị mở vì dòng này

Ảnh hưởng của tụ điện nối song song với cực điều khiển

- Làm giảm ảnh hưởng của tốc độ tăng áp du/dt gần tương tự ảnh hưởng của điện trở, tuy nhiên chỉ có tác dụng ở tần số cao, do đó khác với điện trở, tụ điện rất có ích để chống nhiễu cao tần ảnh hưởng từ mạng điện lực tới mà không gây hậu quả ở khu vực tần

số thấp, nhất là với dòng ổn định một chiều

- Làm giảm độ dốc của xung điều khiển mở van, dẫn đến kéo dài hơn thời gian mở van, cũng như thời gian tăng dòng Ia, do đó không có lợi trong những mạch cần có tốc độ tăng dòng lớn

- Khi van đã dẫn, điện áp trên tụ này có trị số xấp xỉ điện áp trên van, cỡ (1÷2)V Điện áp này nói chung lớn hơn điện áp tối thiểu để mở van Khi van khóa lại, sau đó lại

có điện áp dương trở lại, thì dòng điện phóng ra từ tụ điện này có thể làm van mở ra không cần có dòng điều khiển thực nữa (ví dụ van làm việc ở tần số 50Hz, nếu tụ đủ lớn

để kéo dài dòng phóng 10ms sẽ làm van mở ngay ở nữa chu kỳ điện áp trên van dương trở lại) Như vậy tụ điện không được có giá trị lớn, và phải đảm bảo được phóng hết qua điện trở trước khi van có điện áp dương trở lại

Ảnh hưởng của điện áp âm đặt lên cực điều khiển

Điện áp trên cực điều khiển không được âm quá trị số cho phép của từng loại van (thường giới hạn ở mức -5V) Vì vậy khi van làm việc có khả năng xuất hiện điện áp âm quá mức trên cực điều khiển, cần có biện pháp hạn chế trước, mà thông dụng nhất là đấu thêm diode nối tiếp hoặc song với cực điều khiển

Ảnh hưởng của điện áp dương trên cực điều khiển khi điện áp trên van lại

âm

Điều này có thể dẫn đến sự phát nhiệt quá mức ở cực điều khiển làm hỏng van Nhìn chung nên hạn chế các tình trạng:

• UGK > 0 trong khi UAK < 0,

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 27

• UGK < 0 trong khi UAK > 0

(Trong sổ tay tra cứu UGK thường lấy hai trị số là (-1) và khoảng +(0,5÷1)V)

1.6 CẤU TRÚC MẠCH ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR

1.6.1 Các hệ điều khiển chỉnh lưu

Có hai hệ điều khiển cơ bản là hệ đồng bộ và không đồng bộ

1.6.1.1 Hệ đồng bộ

Trong hệ này góc điều khiển mở van α luôn được xác định xuất phát từ một thời điểm cố định của điện áp mạch lực Ví dụ trong chỉnh lưu một pha điểm mốc này thường lấy qua điểm không của điện áp lực.Vì vậy trong mạch điều khiển (MĐK) phải có một khâu thực hiện nhiệm vụ này gọi là khâu đồng bộ hay đồng pha để đảm bảo MĐK hoạt động theo nhịp của điện áp lực

Hệ đồng bộ có nhược điểm nhậy nhiễu lưới điện vì có khâu đồng bộ liên quan đến điện áp lực, nhưng có ưu điểm hoạt động ổn định và dễ thực hiện

Ngược lại, hệ không đồng bộ chống nhiễu lưới điện tốt hơn nhưng kém ổn định Hiện nay đại đa số các mạch điều khiển chỉnh lưu thực hiện theo hệ đồng bộ, vì vậy dưới đây chỉ đề cập đến hệ này

1.6.2 Các nguyên tắc điều khiển trong hệ đồng bộ

Có 2 nguyên tắc điều khiển sau:

1 Nguyên tắc điều khiển ngang Hình 1.14a là sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh họa ở

hình 1.15a khâu đồng bộ ĐB thường tạo ra điện áp hình sin có góc lệch pha cố định so với điện áp lực Khâu dịch pha DF có nhiệm vụ thay đổi góc pha của điện áp ra dưới dạng tác động của điện áp điều khiển Uđk Xung điềukhiển được tạo thành ở khâu tạo xung TX vào thời điểm khi điện áp dịch pha Uđf qua điểm 0 Xung này nhờ khâu khuếch đại xung được tăng đủ công suất được gửi tới cực điều khiển của van Như vậy góc điều khiển α hay thời điểm phát xung mở van thay đổi được nhờ sự tác động của Uđk làm điện

áp Udf di chuyển theo chiều ngang của trục thời gian

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 28

a)

b)

Hình 1.14 Các nguyên tắc điều khiển

a) Nguyên tắc điều khiển ngang; b) Nguyên tắc điều khiển dọc

2 Nguyên tắc điều khiển dọc Sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh họa như trên hình

1.14b và 1.15b Ở đây Utựa tạo ra điện áp dạng cố định (thường có dạng răng cưa, đôi khi có dạng dạng SIN) theo chu kỳ do nhịp đồng bộ của Uđb Khâu so sánh SS xác định điểm cân bằng của hai điện áp Utựa và Uđk để phát động khâu tạo xung TX Như vậy trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi do sự thay đổi trị số của Uđk, trên đồ thị đó là sự di chuyển theo chiều dọc của trục biên độ

Hình 1.15. Đồ thị minh họa các nguyên tắc điều khiển

a) Kiểu ngang; b) Kiểu dọc

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 29

1.6.3 Mạch điều khiển (MĐK) một kênh và nhiều kênh

Các mạch chỉnh lưu công suất thường có số van điều khiển lớn hơn 1, vì vậy người

ta chia MĐK thành hai loại:

Mạch điều khiển nhiều kênh (hình 1.16a)

Trong mạch này có nhiều kênh điều khiển giống nhau về sơ đồ cấu trúc và nguyên

lý làm việc, mỗi kênh này phụ trách phát xung mở cho một van hoặc hai van cùng pha của mạch lực Loại này rất thông dụng vì độ tác động nhanh, nhưng có độ đối xứng góc điều khiển thấp: với cùng một giá trị Uđk góc α các kênh không bằng nhau, độ sai lệch lên tới vài độ điện

Mạch điều khiển một kênh (hình 1.16b)

Mạch này chỉ có một khối xác định góc α cho các van, góc điều khiển chỉ được xác định một hay hai lần trong một chu kỳ điện áp lực Một bộ phân phối xung PPX đảm nhận phát xung lần lượt đến các van bằng cách dịch xung đi một góc cần thiết (thường bằng 2π/n với n là số van lực)

a) b) Hình 1.16 Cấu trúc mạch điều khiển một kênh và nhiều kênh

a) Mạch điều khiển nhiều kênh, b) Mạch điều khiển một kênh

Các MĐK có thể sử dụng kỹ thuật tương tự (analog) hoặc kỹ thuật số (digital) MĐK analog có độ tác động nhanh, dễ thực hiện song có nhược điểm nhậy nhiễu và phải chỉnh định nhiều, khó đồng nhất các kênh điều khiển

MĐK digital phức tạp, có độ tác động không nhanh bằng MĐK analog vì cần thời gian để lấy mẫu, chuyển đổi AD/DA, tính toán …, song khả năng chống nhiễu tốt, mạch

ít phải chỉnh định và dễ đồng nhất các kênh nên thường có chất lượng điều khiển cao hơn Ngày nay với sự xuất hiện các vi xử lý mạnh, cho phép lập trình cho đối tượng cụ

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 30

thể (mạch nhúng - embeded) nên ứng dụng của mạch điều khiển số càng ngày càng phát triển và thay thế dần các mạch điều khiển analog

1.7 KHÂU ĐỒNG BỘ

Theo cấu trúc khâu này có 2 chức năng:

1 Đảm bảo quan hệ về góc pha cố định với điện áp của van lực nhằm xác định điểm gốc để tính góc điều khiển α, và mạch có tên gọi là mạch đồng pha

2 Hình thành điện áp có dạng phù hợp làm xung nhịp cho hoạt động của khâu tạo điện áp tựa phía sau nó, mạch này mang tên mạch đồng bộ, hoặc mạch xung nhịp

1.7.1 Mạch đồng pha

Với các chức năng nói trên thì dùng máy biến áp là phù hợp hơn cả, và vì vậy máy biến áp hay được sử dụng cho mục đích này nhất, ngoài ra dùng máy biến áp còn cho phép đạt thêm hai mục tiêu là:

- Chuyển đổi điện áp lực thường có giá trị cao sang giá trị phù hợp với MĐK thường là điện áp thấp, theo quy chuẩn về an toàn là dưới 36V

- Cách ly hoàn toàn về điện giữa MĐK và mạch lực Điều này đảm bảo an toàn cho người sử dụng cũng như cho các linh kiện điều khiển

Trường hợp điện áp lực thấp có thể không dùng máy biến áp

Tùy thuộc bộ chỉnh lưu loại một pha hay ba pha sẽ có khâu đồng pha là biến áp một pha hay ba pha Tuy nhiên vì trong MĐK còn có khâu khác cũng cần dùng máy biến áp nên thường chỉ dùng chung một máy biến áp có nhiều cuộn dây thứ cấp, mỗi cuộn thực hiện chức năng riêng, trong đó có cuộn dành cho khâu đồng bộ này

Đồng pha cho chỉnh lưu một pha là đơn giản nhất vì chỉ cần dùng biến áp một pha Đồng pha cho chỉnh lưu ba pha phức tạp hơn, và trong thực tế hay mắc sai xót ở khâu này dẫn đến chỉnh lưu chạy rối loạn, không điều chỉnh được điện áp ra theo yêu cầu Khi sử dụng biến áp đồng bộ ba pha cần lưu ý rằng cách đấu các cuộn dây sơ cấp ảnh hưởng rõ rệt tới phạm vi điều chỉnh góc điều khiển, vì van không mở ngay được khi điện áp pha lưới bắt đầu dương mà chậm hơn thời điểm này 30o

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 31

a) b)

Hình 1.17 Biến áp đồng pha cho chỉnh lưu ba pha

a) Đấu ∆/Y, b) Đấu Y/Y

Khi cuộn sơ cấp đấu tam giác, thứ cấp đấu sao như hình 1.17a (kiểu ∆/Y); ta sẽ đạt được phạm vi điều chỉnh α=(0o÷180o); vi điện áp đồng pha UđbA lấy theo điện áp dây AC,

do đó điểm qua 0 của điện áp này vào đúng điểm cắt nhau của hai điện áp pha A và C,

mà điểm này tương ứng với góc α=0o của van lực ở pha A+ (thyristor T1 ở chỉnh lưu tia hay cầu ba pha)

Khi cuộn sơ cấp đấu sao và thứ cấp đều đấu sao như hình 1.17b (kiểu Y/Y), điện áp đồng pha UđbA lấy theo điện áp pha A của lưới, do đó điểm qua 0 của điện áp này sớm pha hơn 30o so với điểm tương ứng góc α=0o Như vậy phạm vi điều chỉnh giảm xuống chỉ còn 150o, tức là phạm vi điều chỉnh nằm trong khoảng α=(0o÷150o) và tồn tại một khoảng không sử dụng được do điện áp trên van chưa dương Muốn mở rộng phạm vi góc điều khiển cần thêm một khâu dịch pha (trễ pha) đi một góc 30o

Ngoài ra, có thể sử dụng mạch đồng pha bằng phần tử quang Nguyên lý và đồ thị như hình 1.18

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 32

Hình 1.18 Đồng pha bằng phần tử quang 1.7.2 Mạch đồng bộ

Mạch đồng bộ nhằm tạo ra điện áp có hình dạng và tần số phù hợp theo yêu cầu hoạt động của khâu tạo điện áp tựa Thường chia thành đồng bộ một nửa chu kỳ và đồng

bộ hai nửa chu kỳ với các hình thông dụng như hình 1.19

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 33

được sử dụng cho mạch tạo răng cưa dùng transistor, đặc điểm là độ chính xác không cao

và bị ảnh hưởng khi điện áp lưới biến động

- Để tạo nhịp không bị phụ thuộc vào điện áp lưới cần xác định chính xác điểm qua

0 của lưới điện, đấy là dạng xung chữ nhật (Ura2 và Ura3) nhờ sử dụng khuếch đại thuật toán làm khâu phát hiện điểm chuyển đổi dấu của điện áp nguồn

Đồng bộ hai nửa chu kỳ

- Dạng đơn giản là Ura4, thực chất là dạng điện áp chỉnh lưu, do vậy tùy thuộc vào

sơ đồ chỉnh lưu mà biến áp đồng pha phải thích hợp, thí dụ nếu dùng chỉnh lưu tia hai pha cần có cuộn dây đồng pha và điểm giữa Dạng này cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi sự biến động của điện áp lưới điện

- Dạng xung nhịp ngắn xuất hiện vào khoảng qua 0 của điện áp nguồn (Ura5 và Ura6) Tùy thuộc vào cách tạo xung mà có thể bị ảnh hưởng của lưới hay không

Trong các dạng kể trên, để thực hiện mạch đồng bộ khá là đơn giản Mặt khác, do hoạt động của các dạng này gắn chặt với khâu điện áp tựa phía sau, nên sẽ được phân tích

để tính toán đồng thời khi xem xét khâu tạo điện áp tựa Dưới đây chỉ trình bày mạch xung nhịp đồng bộ hai nửa chu kỳ xung nhịp ngắn

1.7.2.1 Mạch kết hợp chỉnh lưu với với transistor

a) b)

Hình 1.20 Mạch tạo xung nhịp đồng bộ kết hợp chỉnh lưu và transistor

Mạch chỉnh lưu kiểu 2 nửa chu kỳ có điểm giữa (tia hai pha) dùng diode Đ1, Đ2 và tải cho mạch chỉnh lưu này là điện trở R1 Điện áp ngưỡng Ung tạo từ biến trở R2 Nhiệm

cụ của R2 là dẫn dòng mở transistor Tr1, còn R1 là dẫn dòng khóa Tr1, vì vậy phải tính toán chính xác mới đồng thời đảm bảo cho Tr1 đóng – ngắt đúng giai đoạn yêu cầu

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 34

- Tính toán giá trị điện trở R1, R2

 Vào thời điểm θ1 Tr1 phải khóa, muốn vậy điện áp UBE của nó phải không dương

2

( )1

2

( )

01

a) Transistor khóa, b) Transistor dẫn

 Đến thời điểm θ2 Tr1 mở ra để tụ C phóng hết điện, tức là bóng Tr1 phải mở bão hòa, cần thỏa mãn điều kiện:

C Bbh

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 35

dp BE

1( )

Bbh

a R

I

θ

≤

Từ đây chọn R2 rồi theo biểu thức (1.2) tính chọn ngược lại R1

Lưu ý: giá trị uđp(θ2) phải khác uđp(θ1), mặc dù trên đồ thị hình 1.20b để đơn giản lấy chúng bằng nhau, điều này là vì không thể ở cùng một giá trị uđp mà bóng lại vừa khóa lại vừa mở bão hòa Thông thường lấy sin(θ2)= sin(0,5.θ1)

Về ví dụ tính toán được đề cập ở phần tạo điện áp răng cửa sử dụng tạo tín hiệu đồng bộ sử dụng transistor

1.7.2.2 Mạch kết hợp chỉnh lưu với khuếch đại thuật toán

Hình 1.22 Mạch tạo xung nhịp đồng bộ kết hợp chỉnh lưu và OA

Mạch chỉnh lưu kiểu 2 nửa chu kỳ có điểm giữa (tia hai pha) dùng diode D1, D2 và tải cho mạch chỉnh lưu này là điện trở R0 Điện áp chỉnh lưu Ucl này được đưa tới cửa (+) của khuếch đại thuật toán OA để so sánh với điện áp ngưỡng Ung lấy từ biến trở P1, điện

áp đồng bộ sẽ tuân theo quan hệ sau:

Uđb = A0 (U+ - U-) = A0 (Ucl - Ung)

Do đó: nếu Ucl > Ung thì Uđb dương và bằng điện áp bão hòa của OA: Uđb = +Ubh

tương tự nếu Ucl < Ung thì Uđb âm và Uđb = - Ubh

• Thay đổi điện áp ngưỡng Ung làm thay đổi phạm vi điều chỉnh góc điều khiển

• Điện áp lưới biến động cũng sẽ ảnh hưởng góc điều khiển

• Có thể chuyển sang dạng xung ra với quy luật điện áp ra ngược dấu lại, nếu đổi chéo cách đấu tín hiệu cửa vào OA: Ucl vào cửa (-) còn Ung vào cửa (+)

Ví dụ 1.1: Tính khâu đồng bộ hai nửa chu kỳ để đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển bằng 170 o , biết điện áp đồng pha U đp =10V, tần số f=50Hz, E=±15V Giải:

Nhóm chỉnh lưu tia hai pha với hai diode D1, D2 có điện áp vào là điện áp đồng pha với số hiệu dụng 10V, nên điện áp ngược lớn nhất đặt lên van là:

C Chọn diode cầu loại 1N4002 với tham số: Itb=1A, Ungmax=100V Điện trở tải cho chỉnh lưu chọn R0=1 kΩ

Mạch so sánh tạo xung đồng bộ Chọn OA loại TL084 (tích hợp 4OA trong IC) Chọn điện trở R1=15KΩ

Để có phạm vi điều chỉnh góc điều khiển 1700, có nghĩa góc điều khiển nhỏ nhất

min 0,5.(180 170 ) 5 ;

α = − = thì điện áp ngưỡng sẽ bằng:

0 min

2 sin 1, 414.10.sin 5 1, 23

ng dp

U = U α = = V Tuy nhiên nếu tính đến sụt áp trên diode chỉnh lưu thì ngưỡng này phải giảm đi cỡ 0,5V do đó Ung sẽ có giá trị xấp xỉ 0,7V Chọn dòng qua phân áp (R2+P1) là 1 mA, vậy tổng trở của cả bộ phân áp:

3

12 12 10

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 37

Hình 1.23 Kết quả mô phỏng ví dụ 1.1

1.8 KHÂU TẠO ĐIỆN ÁP TỰA

Hiện nay sử dụng chủ yếu hai dạng điện áp tựa là dạng hình sin và dạng răng cưa Trong khuôn khổ tài liệu chỉ trình bày dạng điện áp tựa dạng răng cưa, vì nó có nhiều ưu

điểm hơn dạng hình sin: ít bị ảnh hưởng của điện áp và tần số nguồn điện xoay chiều

Điện áp tựa dạng răng cưa

Có thể chia làm hai loại chính là răng cưa phi tuyến (không thẳng) và răng cưa tuyến tính (răng cưa thẳng) Có nhiều phương pháp tạo hàm răng cưa như:

- Dùng diode kết hợp với nhiều cuộn dây biến áp lệch pha nhau

- Dùng diode và tụ điện

- Dùng transistor và tụ điện

- Dùng khuếch đại thuật toán và tụ điện

Tuy nhiên hiện nay chỉ còn hai phương pháp sau cùng là được dùng, nên ở đây chỉ trình bày hai phương pháp này

Trong mạch điều khiển chỉnh lưu nếu dùng dạng răng cửa đi lên sẽ cho quan hệ điện

áp răng cưa và góc điều khiển α tỉ lệ thuận: điện áp này lớn thì góc α cũng lớn Mặt khác

ta biết rằng quan hệ giữa góc điều khiển α và điện áp chỉnh lưu nhận được trên tải lại tuân theo quy luật tỷ lệ nghịch (ví dụ: Ud=Ud0cosα) dẫn đến α tăng thì Ud lại giảm Như vậy tương ứng việc tăng điện áp điều khiển sẽ dẫn đến giảm điện áp chỉnh lưu, điều này nhiều khi không thuận lợi cho mạch điều chỉnh tự động Để quan hệ này thuận, nghĩa là tương

Khi điện áp U2 tại điểm 2 dương sẽ làm Tr1 mở, dòng qua Tr1 phải chảy từ nguồn

E đi qua R3 và R4, gây sụt áp trên R3 tạo điện áp thuận mở Tr2 cho nên Tr2 cũng dẫn theo Dòng qua Tr2 sẽ nạp cho tụ C với với dòng iC không đổi Tụ C được nạp cho đến trị số ổn áp uDz thì dừng lại

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 39

Khi điện áp U2 tại điểm 2 âm sẽ làm cho Tr1 khóa nên dòng qua Tr1 (cũng chính là dòng qua R3, R4) bằng 0, do đó sụt áp trên R3 bằng 0, dẫn đến Tr2 cũng khóa theo Như vậy trạng thái của các transistor Tr1 và Tr2 luôn giống nhau Từ lúc này tụ C phóng điện qua Tr3 Bóng Tr3 đấu theo kiểu mạch êmite lặp: điện thế trên êmite sẽ lặp lại điện thế bazơ nhưng thấp hơn 0,7V do có sụt áp trên quá độ bazơ – êmite, vì bazơ Tr3 nối với điểm 0V của mạch điều khiển nên điện thế êmite sẽ cố định và bằng -0,7V Từ đây ta thấy rằng điện áp trên điện trở R6 là (E-0,7)V, vậy dòng điện qua R6 cũng là dòng qua bóng Tr3 và chính là dòng điện phóng của tụ C