Giáo trình điện tử công suất

Giáo trình điện tử công suất hệ cao đẳng. Giáo trình trình bày về các dạng sơ đồ mạch chỉnh lưu, nghịch lưu điện áp. Giáo trình rành cho hệ cao đẳng chính quy, giáo trình bao gồm sơ đồ mạch, nguyên lý làm việc và giản đồ tín hiệu. Giáo trình tham khảo dành cho những người cần tìm hiểu về điện tử công suất

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA ĐIỆN TỬ TIN HỌC



GIÁO TRÌNH

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

(Giáo trình lưu hành nội bộ)

Tác giả: ThS.NGUYỄN NGỌC HOAN

GV HÀ TRỌNG HIẾU

Bắc Giang, tháng 12/2016

LỜI NÓI ĐẦU

Điện tử công suất là kiến thức chuyên nghành chuyên sâu của ngành điện

tử

Giáo trình Điện tử công suất được biên soạn theo chương trình do tiểu ban soạn thảo chương trình của trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghiệp thông qua Giáo trình được biên soạn từ các bài giảng của tác giả trong nhiều năm giảng dạy tại Khoa Điện tử - Tin học và các giáo trình của các tác giả đã được thẩm định Nội dung được biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu và có tính logic.

Khi biên soạn giáo trình, tác giả đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới liên quan đến nội dung của môn học, phù hợp với đối tượng đào tạo, gắn những nội dung lý thuyết với những vấn đề thực tế thường gặp để giáo trình có tính thực tiễn cao.

Tác giả

MỤC LỤC:

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC: 3

LỜI NÓI ĐẦU 2 3

CHƯƠNG I: CHỈNH LƯU 4

1.1 Các linh kiện bán dẫn công suất 4

1.2 Cấu trúc chung của sơ đồ chỉnh lưu 14

Hình 1.8 Chỉnh lưu diode hình tia Hình 1.9 Đồ thị điện áp 16

Hình 1.8 Chỉnh lưu diode hình tia Hình 1.9 Đồ thị điện áp 18

1.4 Chỉnh lưu 1 pha hai nửa chu kỳ 18

Hình 1.10 Chỉnh lưu diode 2 nửa chu kỳ Hình 1.11 Giản đồ tín hiệu 18

1.5 Chỉnh lưu 1 pha hình cầu 23

1.6 Chỉnh lưu 3 pha hình tia 28

1.7 Chỉnh lưu 3 pha hình cầu 33

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1 41

CHƯƠNG 2: MẠCH ĐIỀU KHIỂN SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU 42

2.1 Giới thiệu chung 42

2.2 Khâu đồng bộ hóa và phát sóng răng cưa 47

2.3 Khâu so sánh 59

2.4 Khâu tạo xung 60

2.5 Ghép nối mạch điều khiển và mạch động lực 67

CHƯƠNG 3: NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP 69

3.1 Khái niệm chung 69

3.2 Nghịch lưu độc lập nguồn dòng 70

3.3 Nghịch lưu độc lập nguồn áp 74

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 3 83

CHƯƠNG 4: CÁC BỘ BIẾN TẦN 84

4.1 Khái niệm chung 84

4.2.Biến tần trực tiếp 87

4.3 Giới thiệu một số bộ biến tần trong thực tế 90

CHƯƠNG I: CHỈNH LƯU 1.1 Các linh kiện bán dẫn công suất

1.1.1 Điốt công suất

a Cấu trúc và kí hiệu

Điốt gồm 2 điện cực, điện cực được nối với bán dẫn loại P được gọi làanốt (A), điện cực được nối với miền N được gọi là katốt (K)

Hình 1.1: Cấu trúc và ký hiệu của điốt công suất

Dòng điện chảy qua điốt làm điốt nóng lên, chủ yếu tại vùng chuyển tiếp,Đối với điốt loại Si, nhiệt độ mặt ghép Tj cho phép là 200°C.Vượt quá nhiệt độnày điốt có thể bị phá hỏng Để làm mát điốt, người ta thường dùng cánh tảnnhiệt được quạt mát với tốc độ gió 10m/s, hoặc cho nước hay dầu biến thế chảyqua cánh tản nhiệt với tốc độ lớn hay nhỏ tùy theo dòng điện

b Đặc tính Vôn-Ampe của điốt

Khi điện áp U<0, điốt bị phân cực ngược Khi tăng |U|, dòng điện ngượccũng tăng từ từ đến khi |U|>0.1V, dòng điện ngược dừng lại ở giá trị vài chục

mA Dòng điện này sẽ phá hỏng điốt, vì vậy để bảo vệ điốt người ta chỉ chochúng làm việc dưới điện áp U = (0.7÷0.8V)Uz

c Thông số cơ bản của điốt

- Iđm - dòng điện định mức, giá trị trung bình của dòng điện chophép chạy qua điốt, hiện nay dòng điện lớn nhất của một diod công suất tới7000A

- AU - sụt áp thuận; Sụt áp của diod trong khoảng (0,7 - 2)V

- Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép; Tại lớp tiếp giáp khoảng 200 0C

khoảng (50-4000)V

- Irmax - dòng điện nghịch tối đa tần số đóng cắt của điôt tr - thời gianphục hồi của điôt

d Các điốt đặc biệt

- Schottky điốt: độ sụt áp theo chiều thuận thấp (khoảng 0,3V) Do

đó, nó được sử dụng cho các mạch điện áp thấp Điện áp ngược chịu đượckhoảng 50 - 100V

- Điốt phục hồi nhanh: được áp dụng trong các mạch hoạt động tần số

cao Khả năng chịu áp đến vài ngàn volt và dòng vài trăm Amper, thời gianphục hồi t khoảng vài μs

- Điốt tần số công nghiệp: các điốt tần số công nghiệp được chế tạo

để đạt độ sụt áp thấp khi dẫn điện Hệ quả, thời gian t tăng lên Khả năngchịu áp của chúng khoảng vài kilovolt và dòng điện vài kiloampe

1.1.2 Transistor BJT

a Cấu tạo, ký hiệu::

Transistor là linh kiện bán dẫn gồm 3 lóp: PNP hay NPN

Cấu tạo của transistor NPN Cấu tạo của transistor PNP

Ký hiệu của transistor NPN Ký hiệu của transistor NPN

Về mặt vật lý, transistor gồm 3 phần: phần phát, phần nền vàphần thu Vùng nền (B) rất mỏng

b Nguyên lý hoạt động:

Điện thế UEE phân cực thuận mối nối B-E (PN) là nguyên nhân làmcho vùng phát (E) phóng điện tử vào vùng P (cực B) Hầu hết các điện tử(electron) sau khi qua vùng B rồi qua tiếp mối nối thứ hai phía bên phảihướng tới vùng N (cực thu), khoảng 1% electron được giữ lại ở vùng B Các

lỗ trống vùng nền di chuyển vào vùng phát

Hình 1.2: Sơ đồ phân cực cho Transistor

Mối nối B-E ở chế độ phân cực thuận như một diode, có điện khángnhỏ và điện áp rơi trên nó nhỏ thì mối nối B-C được phân cực ngược bởiđiện áp UCC Bản chất mối nối B-C này giống như một diode phân cựcngược và điện kháng mối nối B-C rất lớn Dòng điện đo được trong vùng

phát gọi là dòng phát IE Dòng điện đo được trong mạch cực C (số lượngđiện tích qua đường biên CC trong một đơn vị thời gian là dòng cực thu IC).Dòng IC gồm hai thành phần:

- Thành phần thứ nhất (thành phần chính) là tỉ lệ của hạt electron ởcực phát tới cực thu Tỉ lệ này phụ thuộc duy nhất vào cấu trúc của transistor

và là hằng số được tính trước đối với từng transistor riêng biệt Hằng số đãđược định nghĩa là a Vậy thành phần chính của dòng IC là aIE Thôngthường a = 0,9 → 0,999

- Thành phần thứ hai là dòng qua mối nối B - C ở chế độ phân cựcngược lại khi IE = 0 Dòng này gọi là dòng ICBO- nó rất nhỏ

- Vậy dòng qua cực thu: IC = aIE + ICBO

c Đặc tuyến V - A của transistor:

Đặc truyến V - A của transistor mắc Emitter chung như hình sau Đặctuyến V-A của transistor được chia ra làm 3 vùng: Vùng cấm, vùng khuếchđại và vùng bão hoà

Hình 1.3: Đặc tuyến volampe của Transistor

Trong các ứng dụng của điện tử công suất lớn, người ta chỉ phân cựccho transistor ở vùng bão hoà (IB lớn) và vùng cấm (IB = 0) mà không phâncực cho transistor ở vùng khuếch đại Các thông số của transistor công suất:

IC: Dòng colector mà transistor chịu được, UCEsat là điện áp UCE khitransistor dẫn bão hòa, UCEO: Điện áp UCE khi mạch bazơ để hở, IB = 0,

UCEX là điện áp UCE khi bazơ bị khóa bởi điện áp âm, IB < 0, ton: Thờigian cần thiết để UCE từ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống UCESat ~ 0, tf:Thời gian cần thiết để ic từ giá trị IC giảm xuống 0, ts: Thời gian cần thiết

để UCE từ giá trị UcESat tăng đến giá trị điện áp nguồn U, P: Công suất tiêu

tán bên trong transistor.

Công suất tiêu tán bên trong transistor được tính theo công thức:

1.1.3 Thyristor

a.Cấu tạo

Thyristor còn được gọi là SCR (Silicon Controlled Rectifier: diodchỉnh lưu được điều khiến bởi cực cổng silicium) SCR gồm 4 lớp bán dẫnP-N ghép nối tiếp nhau và được nối ra 3 chân

Chân cho dòng điện vào gọi là cực Anod viết tắt A ,chân cho dòngđiện ra gọi là cực Catod viết tắt K ,chân điều khiến cho dòng điện đi từ Aqua K gọi là cực Gate (cực cửa hay cực cổng ) viết tắt G

b Nguyên lý họat động và đặc tính của SCR

Để phân tích nguyên lý họat động của SCR, ta có the xem SCR giốngnhư 2 transistor gồm 1 transistor lọai NPN và 1 transistor loại PNP ghép lạitheo kieu cực C của NPN nối với cực B của PNP và ngược lại cực C củaPNP nối với cực B của NPN

Xét mạch thực nghiệm sau:

Hình 1.4: Minh họa hoạt động của SCR

Mạch thực nghiệm SCR được vẽ theo kiếu cấu trúc của SCR gồm 2transistor, transistor lọai NPN gọi là T1 và transistor lọai PNP gọi là T2

+ Trường hợp khóa K để hở hay UG = 0V

Khi điện áp ở cực G bằng 0V tức T1 chưa có dòng phân cực IB1 nên T1

chưa dẫn => IB1 = 0, IC1 = 0, nên IB2 = 0 và T2 cũng ngưng dẫn Như vậytrường hợp này SCR không dẫn điện được, dòng điện qua SCR là IA = 0 và

UAK = Ucc Tuy nhiên khi tăng điện thế nguồn Ucc lên đến giá trị đủ lớn tứcđiện áp trên SCR cũng tăng theo và khi đạt đến giá trị điện áp ngập UBO

(Breakover) thì điện áp UAK giảm xuống giống như diod và dòng điện IA

tăng nhanh Lúc này SCR chuyển sang trạng thái dẫn điện Dòng điện ứngvới lúc điện áp UAK giảm nhanh gọi là dòng điện duy trì IH (Holding) Sau

đó, dặc tính của SCR giống như 1 diode nắn điện

+ Trường hợp khóa K đóng hay UG > 0V

Khi đóng khóa K cấp nguồn UDC cho cực cổng SCR, điện trở RG

dùng để giới hạn dòng kích cho cực G của SCR Lúc này có dòng kích IG >

0 nên SCR dẫn tức transistor T1 được phân cực ở cực B, IB1 > 0 => có dòng

IC1 > 0, dòng IC1 cũng chính là dòng IB2 nên lúc này T2 cũng dẫn điện và cho

dòng IC2 ra, dòng này đi vào cực nền B1 và lại trở thành dòng IB1 Do đó màSCR sẽ tự duy trì trạng thái dẫn điện trong nguồn 1 chiều mà không cần códòng kích IG liên tục.

Hiện tượng này sẽ lặp lại liên tục, dấn đến 2 transistor đạt đến trạngthái dẫn bảo hòa, khi đó điện áp UAK giảm rất nhỏ khỏang 0,7V ÷ 1,5V (tùylọai)

+ Trường hợp phân cực ngược SCR

Phân cực ngược SCR là nối cực Anode vào nguồn âm và cực Catodvào nguồn dương của điện áp cung cấp UCC Trường hợp này giống nhưDiode bị phân cực ngược, SCR sẽ không dẫn điện mà chỉ có dòng điện rỉrất nhỏ đi qua và điện áp rơi trên SCR chính bằng điện áp nguồn (UAK =-UCC)

Khi tăng điện áp nguồn UCC lên đủ lớn thì SCR sẽ bị đánh thủng vàdòng điện qua theo chiều từ Anod sang Catod (K→A) Điện áp này gọi làđiện áp ngược UN Thông thường trị số UN và UBO bằng nhau và ngược dấu

- Đặc tuyến của SCR:

Qua hình vẽ đặc tuyến Volt - Amprer của SCR ta thấy khi chưa códòng kích IGO nếu điện áp đặc vào 2 đầu SCR đủ lớn (UBO) thì SCR sẽ tựdẫn

Khi điện áp UAK < UBO muốn SCR dẫn thì phải có dòng kích IG > 0.Khi U2< U1 < UBO muốn SCR dẫn thì phải có dòng IG2 > IG1 > 0

1.1.4 Triac

a.Cấu tạo, ký hiệu

Triac có cấu tạo gồm các lớp bán dẫn P - N ghép nối tiếp nhau và được nối ra 3 chân, hai chân có dòng điện lớn qua gọi là T1 và T2, chân điềukhiển cho Triac dẫn gọi là cực cổng G

Triac có thể xem như 2 SCR ghép song song và ngược chiều nhau saocho có chung cực cổng G

Triac là viết tắt của Triode Ac semiconductor switch (hay còn gọi là khóa điện xoay chiều có 3 cực)

Hình 1.5: Cấu tạo, ký hiệu của Triac

b Nguyên lý họat động và đặc tính của Triac

Hình 1.6: Minh họa hoạt động của Triac

Cấu trúc của Triac được xem như 2 SCR ghép song song và ngượcchiều nên khi khảo sát đặc tính của Triac người ta khảo sát như mạch thựcnghiệm sau:

Hình a khi cực T2 có điện áp dương và cực G được kích xung dươngthì Triac sẽ dẫn điện theo chiều từ T2 sang T1

Hình b khi cực T2 có điện áp âm và cực G được kích xung âm thìTriac sẽ dẫn điện theo chiều từ T1 sang T2.

Hình c khi Triac được dùng trong nguồn điện xoay chiều, ở bán kỳdương cực G cần được kích xung dương ,còn ở bán kỳ âm cực G cần đượckích xung âm Triac cho dòng điện qua được cả 2 chiều và khi đã dẫn điệnthì điện áp rơi trên 2 cực T1 - T2 rất nhỏ nên được coi như công tắc bán dẫndùng trong nguồn điện xoay chiều

Đặc tính của Triac gồm 2 phần đối xứng nhau qua điểm 0, hai phầnnày giống như đặc tuyến của hai SCR mắc ngược chiều nhau

c Các cách kích mở triac

Hình 1.7: Minh họa các cách kích mở của Triac Thật ra do sự tương tác giữa các vùng bán dẫn mà Triac được kích

dẫn theo 4 cách khác nhau.Với hai cách kích đầu (a) và (b) gọi là kích thuận

ta chỉ cần dòng kích nhỏ đủ để Triac dẫn, còn với hai cách kích sau (c) và(d) gọi là kích ngược vì ta phải cần dòng kích lớn mới đủ để làm Triac dẫn

- Về cấu tạo, Diac giống như một thyristor không có cực cổng haygiống như một tranzitor không có cực Bazer Diac cho dòng điện đi theo cảhai chiều vì vậy về nguyên lý Diac tương đương với hai Diode Zerner mắcngược nhau như hình vẽ.

b Nguyên lý hoạt động

-Khi đặt một điện áp theo một chiều nhất định UA1A2 > 0 khi đạt đếnmột giá trị điện áp VB0 thì Diac bắt đầu dẫn điện

-Khi đặt một điện áp ngược lại UA1A2<0, khi đạt đến một giá trị điện

áp -VB0 thì Diac cũng bắt đầu dẫn điện

c Đặc tính Vôn-Ampe như hình bên:

c Ứng dụng của Diac

- Mạch điều chỉnh độ sáng của bóng đèn

+ Ở nửa chu kỳ dương thì điện thế tăng tụ điện nạp điện đến điện thế

VB0, thì Diac dẫn điện, hết nửa chu kỳ dương Diac tạm ngưng

+ Đến nửa chu kỳ âm thì tụ điện được nạp đến điện thế thế -VBO,Diac dẫn kích Triac dẫn điện

- Thay đổi VR đế thay đổi thời gian nạp tụ điện dẫn đến thay đổi góc mởTriac

1.2 Cấu trúc chung của sơ đồ chỉnh lưu

1.2.1.Các khái niệm cơ bản

* Chỉnh lưu là biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượngđiện 1 chiều, cung cấp cho nhiều loại phụ tải khác nhau Một số phụ tải mộtchiều như sau:

- Các hệ thống nạp điện cho ắc quy

- Các bộ nguồn một chiều cho các thiết bị điều khiển, viễn thông

- Trong các hệ thống truyền tải điện một chiều công suất lớn

* Các bộ chỉnh lưu thường dùng là các phần tử bán dẫn công suất(điôt, tranzitor, Thyristor ) Tùy theo thiết bị chỉnh lưu mà người ta phânthành:

- Chỉnh lưu không điều khiển (dùng điôt)

- Chỉnh lưu có điều khiển (dùng Thyristor)

* Để chỉnh lưu tín hiệu công suất nhỏ thường dùng bộ chỉnh lưu 1 pha

và chỉnh lưu tín hiệu công suất lớn thường dùng bộ chỉnh lưu 3 pha Điện áp

và dòng điện sau chỉnh lưu có chiều không thay đổi nhưng vẫn dao động vềtrị số, để hạn chế dao động thường người ta cho qua bộ lọc

*Người ta có thể phân loại chỉnh lưu theo sơ đồ sau:

Cấu trúc chung của một sơ đồ chỉnh lưu(Nếu là CL KĐK thì Khối 2

là các Van CL không có ĐK, khối 4, 5 không có )

- Khối 1: MBA dùng để phối hợp mức điện áp giữa điện áp lưới vàđiện áp đầu vào bộ chỉnh lưu MBA là bộ phận bắt buộc đối với các sơ đồhình tia nhưng không bắt buộc đối với sơ đồ hình cầu.

- Khối 2: Sơ đồ van chỉnh lưu Gồm các van bán dẫn được nối theo sơ

đồ chỉnh lưu cụ thể, có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều thành điện ápmột chiều

- Khối 3: Khâu lọc gồm các phần tử phản kháng như tụ điện, cuộn cảm

có chức năng san bằng điện áp chỉnh lưu, giảm thành phần đập mạch củađiện áp ra một chiều đến mức độ cho phép

- Khối 4: Mạch đo lường gồm các khâu tạo tín hiệu về dòng điện, điện

áp phục vụ cho các chức năng về điều chỉnh, các chức năng theo dõi, hiểnthị và bảo vệ của cả hệ thống

- Khối 5: Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong mạch chỉnh lưu cóđiều khiển Có nhiệm vụ tạo ra các xung điều khiển với góc pha điều khiểnđiều chỉnh được, đồng pha với điện áp xoay chiều, đưa đến cực điều khiểncủa các van bán dẫn có điều khiển (Thyristor)

) ( 2

1 )

(

1

d u dt

t u T

T d d

Id : Dòng điện trung bình nhận được sau mạch van chỉnh lưu

∫

= π θ θ π

2 0

) ( 2

1

d i

Pd= Ud.Id là công suất một chiều mà tải nhận được từ mạch chỉnh lưu

Ivtb: dòng trung bình qua van

1.3 Chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ

1.3.1 Chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ không điều khiển

Trong sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ điện áp thứ cấp máy biến

áp là: u2 = 2U2sin ωt = 2U2sin θ

a Sơ đồ mạch

Hình 1.8 Chỉnh lưu diode hình tia Hình 1.9 Đồ thị điện áp

Giả sử điện áp vào sơ cấp MBA có dạng sin: u1 = U1m sinωt =

U1m sinθ

Thì điện áp thứ cấp MBA có dạng: u2 = U2m sinωt = U2m sinθ

Trong đó: U1m, U2m là giá trị biên độ cực đại của điện áp xoay chiều sơ cấp

và thứ cấp MBA, (V)

U1m= 2.U1 : U1 là giá trị hiệu dụng của sơ cấp MBA

U2m= 2.U2 : U2 là giá trị hiệu dụng của thứ cấp MBA

f : tần số điện áp lưới

b Nguyên lý hoạt động của mạch điện

Giả sử trong nửa chu kỳ đầu của điện áp lưới, θ = 0 + π, cực tính

MBA có cực tính như hình vẽ Điôt D được phân cực thuận nên dẫn, nối tải

Rt vào nguồn Điện áp trên tải được lặp lại như u2 Dòng điện trên tải sẽ lặp

lại như dạng điện áp, với giá trị: id = iRt =

t R

u2 dạng điện áp và dòng tải đượcbiểu diễn như hình 1.9

Đến nửa chu kỳ sau từ θ = π ÷ 2θ điện áp xoay chiều đầu vào đảo cựctính, dòng tải có xu hướng đảo chiều Tuy nhiên lúc này điôt D bị phân cựcngược nên không cho dòng điện chạy theo hướng ngược lại do điôt khóa,ngắt tải ra khỏi nguồn Điện áp và dòng trên tải bằng không

Từ hình đồ thị hình vẽ trên ta có thể tính được giá trị điện áp trungbình sau chỉnh lưu:

π

π

d U

1

0 2

=

t

m d

1.3.2 Chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ có điều khiển

1.3.2 Chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ có điều khiển

Hình 1.8 Chỉnh lưu diode hình tia Hình 1.9 Đồ thị điện áp

b Nguyên lý làm việc:

Trong sơ đồ này ở giai đoạn (0 ÷ π )mặc dù điện áp trên tiristo T đã

dương, song phải đến thời điểm α thì tiristo mới nhận được tín hiệu điềukhiển IG từ khâu phát xung (FX) Do đó:

Trong giai đoạn (0 ÷ α )tiristo khoá: ud = 0.

Trong giai đoạn ( α π ÷ )tiristo dẫn: u d =u2( ) θ

Trong giai đoạn ( π ÷ 2 ) π tiristo khoá: u d = 0

Điện áp ud chỉ là một phần của u2 với độ lớn tuỳ thuộc góc α Ta có:

1.4 Chỉnh lưu 1 pha hai nửa chu kỳ

1.4.1 Chỉnh lưu 1 pha hai nửa chu kỳ không điều khiển

a Sơ đồ mạch

Hình 1.10 Chỉnh lưu diode 2 nửa chu kỳ Hình 1.11 Giản đồ tín hiệu

Giả sử điện áp vào sơ cấp MBA có dạng sin: u1 = 1

b Nguyên lý hoạt động:

- Trong khoảng 0 ÷ π, và trong khoảng π÷ 2π:

Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy rằng, trong nửa chu kỳ đầy của điện ápnguồn, khi uac>0, ubc<0, điôt Di thông ud = udc= uac= u21

Đến nửa chu kỳ sau, điện áp nguồn đảo cực tính, uac<0, ubc>0, điốt

D2 thông ud = udc= uAC = u22 Điện áp trên tải có dạng đập mạch với cực tínhđiểm d dương hơn so với điểm c

Dạng dòng điện, điện áp của các phần tử trên sơ đồ ứng với hai loạitải thuần trở và trở cảm được biểu diễn ở giản đồ tín hiệu

Như vậy điện áp trung bình chỉnh lưu:

2 2

0

2 2 1

U

I d d

π 2

2 2

=

=

Dòng trung bình qua một diode

2

sin 2 2

d U

I = π π∫ θ θ =

Dòng hiệu dụng của thứ cấp máy biến áp

R

U d

R

U I

I

2 sin

2 2

0

2 2

- Dòng điện qua 1 pha bằng / dòng tải, điện áp ngược gấp 2 lần biên

độ nên sơ đồ hình tia dùng trong trường hợp tải có dòng lớn và điện áp thấp

1.4.2 Chỉnh lưu 1 pha hai nửa chu kỳ có điều khiển

a Sơ đồ mạch

Trong đó:

- Trong sơ đồ này BA còn có chức năng là tạo ra hệ thống điện áp xoaychiều hai pha không có trong lưới điện công nghiệp BA có một cuộn sơ cấpđược đặt điện áp nguồn xoay chiều một pha u1, hai cuộn thứ cấp là w21, w22

có số vòng bằng nhau và đấu như hình vẽ Như vậy trên w21, w22 ta có cácđiện áp là u21, u22 thoả mãn quan hệ: u21 = u22, đây là hệ thống điện áp xoaychiều hai pha cần thiết

- Các thyristor T1, T2 làm nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều thành mộtchiều

Ở đây ta xét một trường cụ thể với giá trị α:

- Tại ωt = ν1 = α ta truyền xung điều khiển đến mở T1, giả thiết rằngtrước đó (ωt = 0 đến ωt <ν1) thì trong sơ đồ chưa có van nào làm việc nên id

= 0 và ud = 0 Vậy tại ν1 thì uT1= u21>0, có đủ 2 điều kiện để T1 mở T1 sẽ mở,sụt điện áp trên T1 giảm về bằng không nên ta có điện áp chỉnh lưu tức thời

ud=u21 Lúc này trong sơ đồ xuất hiện dòng điện đi từ đầu pha thứ nhất(điểm 1) qua T1, qua phụ tải và quay về pha thứ nhất thứ cấp máy biến áp

BA Van T2 lúc này bị đặt điện áp ngược và khoá lại, ta có:

iT1= id = ud/Rd = u21/Rd ;

iT2 = 0 ; uT1= 0 ; uT2 = 2u22 ;

- Đến thời điểm ωt = π thì u21 = 0 lúc đó dòng qua T1 và phụ tải bằngkhông và có xu hướng muốn đổi chiều, nhưng do tính dẫn dòng một chiềucủa các van mà T1 sẽ khoá lại còn T2 thì chưa có điều kiện mở nên dòng tải

sẽ bằng không trong giai đoạn tiếp Trong giai đoạn này cả 2 van T1 và T2

Tại ωt = 2π thì u22 = 0 lúc đó dòng qua T2 và phụ tải bằng không và

có xu hướng muốn đổi chiều, nhưng do tính dẫn dòng một chiều của các van

mà T2 sẽ khoá lại còn T1 thì chưa có điều kiện mở nên dòng tải sẽ bằng trong

giai đoạn tiếp Trong giai đoạn này cả 2 van T1 và T2 cũng đều khoá (tương

tự như giai đoạn ωt =π÷ ωt = ν2):

ud = E d; iT1=0; iT2 = 0;

uT1= u21; uT2 = u22 ;

- Tại ωt = ν3 thì T1 lại có tín hiệu điều khiển và uT1 > 0 nên T1 lại mở,

sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc như từ ωt = ν1 Giai đoạn từ ωt = 0 ÷ ωt =

ν1 cũng giống như giai đoạn ωt =2π ÷ ωt = ν3 (do tính chất lặp đi lặp lạitrong sơ đồ chỉnh lưu)

Đồ thị điện áp chỉnh lưu, dòng các van, dòng điện chỉnh lưu, điện áptrên T1 biểu diễn trên hình vẽ:

Điện áp chỉnh lưu trung bình của trường hợp này là:

Dòng trung bình qua một thyristor:

ITtb= (1/2π).{Um[cosα-cos (π-θ)]-(π-α-θ)}/Rd

Ở đây giá trị góc θ được xác định như sau: θ = arcsin (1/Um)

- Giản đồ tín hiệu:

1.5 Chỉnh lưu 1 pha hình cầu

1.5.1 Chỉnh lưu 1 pha hình cầu không điều khiển

a Sơ đồ mạch:

b Nguyên lý làm việc

Khi 0 < θ < π, u2 = 2U2sin θ > 0 , Diode D1, D2 phân cực thuận, D3,D4

phân cực ngược Dòng điện chảy từ điểm A qua D1, qua tải, D2 về điểm B

Ta có phương trình:

θ sin

2U2

Khi π < θ < 2π, u2 = 2U2sin θ < 0 Diode D1, D2 phân cực ngược,

D3,D4 phân cực thuận Dòng điện chảy từ điểm B qua D3, qua tải, D4 về điểmA

Ta có phương trình

θ sin

θ π

2

1 2

d U

d u

Dòng tải trung bình

R

U R

U

I d d

π

2 2 2

d U

I = π ∫π θ θ =

UngVmax= 2U2.Chỉnh lưu cầu một pha được sử dụng rộng rãi trong thực tế Ưu điểmcủa mạch là có thể không cần biến áp Nhược điểm của nó là luôn có haidiode tham gia dẫn dòng Như vậy, sẽ có sụt áp do hai diode gây ra, chính lý

do này làm cho mạch cầu không thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp, dòngtải lớn

c Đồ thị dòng điện, điện áp

a Sơ đồ mạch:

Giới thiệu các phần tử trên sơ đồ:

- BA là máy biến áp cung cấp, với sơ đồ cầu 1 pha thì có thể dùnghoặc không dùng máy biến áp

- Các van có điều khiển T1 ÷T4 dùng để biến điện áp xoay chiềuthành một chiều, 4 van này được phân làm hai nhóm: nhóm Cathode chunggồm T1 và T3, nhóm anode chung gồm T2 và T4

− Rd là các phần tử phụ tải

− u1, u2 là điện áp trên cuộn sơ cấp (điện áp lưới) và điện áp cuộn thứ cấp

− i1, i2 là dòng điện cuộn sơ cấp (dòng điện lưới) và dòng điện cuộn thứcấp

− Dòng, áp các phần tử khác tương tự như các sơ đồ khác

b Nguyên lý làm việc

Ta xét nguyên lý làm việc của sơ đồ trong trường hợp giả thiết phụ tải

có Ld=∞, và xem rằng sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm ta bắt đầuxét Với đồ thị điện áp nguồn và giá trị góc điều khiển α như trên hình vẽ cónguyên lý làm việc của sơ đồ như sau:

Giả thiết là trong khoảng lân cận phía trước thời điểm ωt=ν1=α thìtrong sơ đồ hai van T3 và T4 đang dẫn dòng Tại ωt=ν1=α thì 2 van T1 và T2

đồng thời có tín hiệu điều khiển, lúc đó điện áp trên 2 van này đều thuận(uT1=uT2=u2) do vậycả 2 van cùng mở Hai van T1,T2 mở nên sụt điện áp trênchúng giảm về bằng không và ta có: ud=u2; uT3=uT4=-u2 và tại ωt=ν1=α thì

u2>0, tức là T3,T4 bị đặt điện áp ngược và khoá lại Từ thời điểm này (ωt=ν1)trong sơ đồ chỉ có 2 van T1, T2 dẫn dòng Khi 2 van T1, T2 làm việc thì:

ud = u2; uT1 = uT2 = 0; uT3 = uT4 = -u2;

iT1 = iT2 = id = Id; iT3 = iT4 =0;

Đến ωt=π thì u2=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ âm nên nó tácđộng ngược với chiều dòng qua T1 và T2, đồng thời trên T3 và T4 lúc này cóđiện áp thuận nhưng T3 và T4 chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, vì vậy

mà T1 và T2 tiếp tục dẫn dòng bởi s.đ.đ tự cảm sinh ra trong Ld do dòng tải

có xu hướng giảm Do T1 và T2 vẫn mở nên các biểu thức áp và dòng trêncác phần tử của sơ đồ vẫn giữ nguyên như trên

Tại ωt=ν2=π+α thì T3 và T4 đồng thời có tín hiệu điều khiển,trên 2van đang có điện áp thuận nên T3 và T4 cùng mở Hai van T3, T4 mở nên sụtđiện áp trên chúng giảm về bằng không và ta có: ud= -u2; uT1=uT2=u2 và tại

ωt=ν2=π+α thì u2 < 0, tức là T1, T2 bị đặt điện áp ngược và khoá lại Từ thờiđiểm này (ωt=ν2) trong sơ đồ chỉ có 2 van T3, T4 dẫn dòng Khi 2 van T3, T4

cùng làm việc thì:

ud= -u2; uT1= uT2= u2; uT3=uT4=0;

iT1=iT2=0; iT3=iT4= id=Id

Đến ωt = 2π thì u2 = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương và

nó tác động ngược với chiều dòng qua T3 và T4, đồng thời trên T1 và T2 lúcnày có điện áp thuận nhưng T1 và T2 chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển,nên s.đ.đ tự cảm sinh ra trong Ld vẫn làm cho T3 và T4 tiếp tục dẫn dòng

Đến ωt = ν3 = 2π + α thì T1 và T2 lại đồng thời có tín hiệu điều khiển

và T1 và T2 lại cùng làm, T3 và T4 bị đặt điện áp ngược và khoá lại Từ thờiđiểm này sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc như từ ωt = ν1 = α

Giai đoạn ωt = 0 ÷ ν1 có thể suy ra từ giai đoạn ωt = 2π÷ ν3 do tínhchất lặp đi lặp lại khi sơ đồ làm việc, ta thấy rằng nó hoàn toàn phù hợp vớigiả thiết ban đầu là T3 và T4 dẫn dòng

Tóm tắt sự làm việc của sơ đồ trong hơn 1 chu kỳ như sau:

1.6 Chỉnh lưu 3 pha hình tia

1.6.1 Chỉnh lưu 3 pha hình tia không điều khiển

Chỉnh lưu hình tia 3 pha có sơ đồ bểu diễn như hình vẽ trên, được cấutạo từ MBA và các đi ốt D1-D3 MBA có thể được đấu nối theo kiểu Y/Y,tuy nhiên có thể dung cách đấu nối ∆/Y, miễn sao cho phía thứ cấp phảiđược đấu theo hình sao để có điểm trung tính Các đi ốt có thể đấu theo kiểuanot chung hoặc catot chung, khi đấu theo kiểu nao thì điện áp trên tải sẽ có

cực tính tương ứng

b Nguyên lý làm việc:

Để tiện cho việc phân tích nguyên lý hoạt động của sơ đồ mạch cũngnhư sự hoạt động của các sơ đồ mạch chỉnh lưu sau này chúng ta xác địnhvan nào dẫn tuân theo hai quy tắc sau đây:

- Trong các khóa có catot chung, khóa nào có anot dương nhất khóa

d Một số biểu thức tính toán

+ Giá trị trung bình của điện áp tải, dòng tải

Nếu có E thì:

+ Điện áp ngược cực đại trên mỗi điôt Ungmax

+ Giá trị trung bình dòng chảy trong điôt:

+ Giá trị hiệu dụng qua cuộn sơ cấp MBA

+ Công suất MBA

1.6.2 Chỉnh lưu 3 pha hình tia có điều khiển

a Sơ đồ mạch:

Đây là sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha không có diode không Trong sơ đồ này:

- BA là máy biến áp 3 pha dùng để cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu

- Các thyristor T1, T2, T3 dùng để biến điện áp xoay chiều 3 pha bênthứ cấp máy biến áp BA là ua, ub, uc thành điện áp một chiều trên tải ud

- Rd, Ld, Ed là các phần tử phụ tải của bộ chỉnh lưu

- iA, iB, iC dòng các pha cuộn dây sơ cấp của BA

- ia, ib, ic dòng các pha cuộn dây thứ cấp của BA

- iT1, iT2, iT3 dòng các van chỉnh lưu

- id dòng điện chỉnh lưu

b Nguyên lý làm việc

Ở đây ta chỉ xét một trường hợp là khi giả thiết Ld =∞, cho sơ đồ làmviệc với một góc điều khiển bằng α và cũng giả thiết là sơ đồ đã làm việcxác lập trước thời điểm bắt đầu xét (ωt=0):

Ta tạm giả thiết rằng: trước thời điểm ωt=ν1=α thì trong sơ đồ van T3

đang dẫn dòng và các van khác còn ở trạng thái khoá, khi đó trên van T1 sẽ

có điện áp thuận (vì uT1=ua-uc=uac, và tại ωt=ν1=α thì uac>0 nên uT1>0) Tại

ωt=ν1=α thì T1 có tín hiệu điều khiển, T1 có đủ hai điều kiện để mở nên T1

mở và uT1 giảm về bằng không Do uT1= 0 nên ud =ua, và từ sơ đồ ta xác địnhđược điện áp trên T3 là uT3= uc-ua=uac, tại ν1 thì uca<0, tức là T3 bị đặt điện ápngược nên khoá lại, van T2 thì vẫn khoá, do vậy trong khoảng tiếp sau ν1

trong sơ đồ chỉ có van T1 dẫn dòng, khi T1 dẫn dòng:

ud=ua; iT1=id=Id; iT2=0; iT3=0; uT1=0;

uT2=uba; uT3=uca

Đến ωt=5π/6 thì ua = ub, đây là thời điểm mở tự nhiên đối với T2

nhưng T2 chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, do ua vẫn dương kết hợpvới tác dụng cùng chiều của s.đ.đ tự cảm trong Ld mà T1 vẫn tiếp tục dẫndòng

Đến ωt=π thì ua=0 và sau đó chuyển sang âm nhưng T2 còn chưa mởnên T1 vẫn tiếp tục làm việc nhờ s.đ.đ tự cảm của Ld (ở đây α>300)

Tại ωt=ν2=5π/6 +α thì T2 có tín hiệu điều khiển và do đang có điện ápthuận nên T2 mở, T2 mở thì uT2 giảm về bằng không nên ud = ub và uT1 = ua-

ub=uab mà tại ν2 thì uab <0, tức là T1 bị đặt điện áp ngược nên khoá lại Dovậy từ ν2 trong sơ đồ chỉ có van T2 dẫn dòng, khi T2 mở:

tự giai đoạn ωt=2π÷ωt=ν4, mà giai đoạn ωt=2π ÷ ωt=ν4 lại nằm trong giaiđoạn ωt=ν3 ÷ ωt=ν4: van T3 dẫn dòng, điều này hoàn toàn phù hợp với giảthiết ban đầu

Do đặc điểm là dòng bên thứ cấp máy biến áp cung cấp chỉ đi theomột chiều bởi tính dẫn dòng một chiều của các van nên dòng sơ cấp BA phụthuộc vào sơ đồ nối dây máy biến áp

1.7 Chỉnh lưu 3 pha hình cầu

1.7.1 Chỉnh lưu 3 pha hình cầu không điều khiển

a Sơ đồ nguyên lý

Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha (hình dưới) gồm có:

− BA là máy biến áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, trong sơ đồ chỉnhlưu cầu 3 pha thì cũng có thể không cần sử dụng BA nếu nguồn cung cấp cóđiện áp phù hợp với yêu cầu của sơ đồ và không yêu cầu cách ly về điệngiữa mạch động lực bộ chỉnh lưu với nguồn điện xoay chiều.

− Các van chỉnh lưu có điều khiển từ T1÷T6 dùng để biến đổi điện ápxoay chiều 3 pha bên thứ cấp BA là ua, ub, uc thành điện áp một chiều đặt lênphụ tải gồm Rd, Ld Chỉ số của các van trong sơ đồ có khác so với trong sơ

đồ tổng quát đã nêu: nhóm van kaôt chung thì ký hiệu như sơ đồ tổng quátcòn nhóm van anode chung thì có sự đổi vị trí

Cách ký hiệu như trên sơ đồ hình vẽ có một ý nghĩa là chỉ số van trên

sơ đồ nêu lên thứ tự làm việc của các van

- Trong các van có catot chung, van nào có anot dương nhất van đó sẽdẫn

- Trong các van có anot chung, van nào có catot âm nhất van đó sẽdẫn

Như vậy dựa vào hai quy tắc trên ta có sự hình thành điện áp chỉnhlưu như bảng sau:

Trên đồ thị các đường điện áp pha ua, ub, uc đánh dấu các điểm điện

áp nguồn cắt nhau, cả phía trên và phía dưới trục hoành, gọi là các điểmchuyển mạch tự nhiên, với hoành độ tại θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6, θ7,

θ8… Khoảng dẫn của các diot được xét như ở bảng trên

c Đồ thị điện áp tải, dòng qua điôt

d Một số biểu thức tính toán

+ Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:

+ Gía trị trung bình của dòng tải:

+ Giá trị trung bình dòng chảy trong mỗi điôt

+ Điện áp ngược max mà mỗi điôt phải chịu

1.7.2 Chỉnh lưu 3 pha hình cầu có điều khiển

a Sơ đồ nguyên lý

Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha gồm có:

- BA là máy biến áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, trong sơ đồ chỉnhlưu cầu 3 pha thì cũng có thể không cần sử dụng BA nếu nguồn cung cấp cóđiện áp phù hợp với yêu cầu của sơ đồ và không yêu cầu cách ly về điệngiữa mạch động lực bộ chỉnh lưu với nguồn điện xoay chiều

- Các khóa chỉnh lưu có điều khiển từ T1 ÷T6 dùng để biến đổi điện

áp xoay chiều 3 pha bên thứ cấp BA là ua, ub, uc thành điện áp một chiều đặtlên phụ tải gồm Rd, Ld, Ed Chỉ số của các van trong sơ đồ có khác so với

trong sơ đồ tổng quát đã nêu: nhóm khóa kaôt chung thì ký hiệu như sơ đồtổng quát còn nhóm khóa anode chung thì có sự đổi vị trí

sơ đồ tia 3 pha tương ứng Để xác định điện áp chỉnh lưu tức thời ta có thểdựa vào các phương pháp khác nhau: ví dụ dựa vào thứ tự làm việc của cácvan ta xác định được trong từng khoảng thời gian 2 van nào của sơ đồ dẫndòng ta sẽ tìm được ud bằng hiệu điện áp 2 pha mắc với 2 van dẫn dòng đó:hoặc ta có thể chọn điện thế điểm trung tính nguồn làm mốc (ϕO=0) lúc đó ta

có thể tính được điện thế 2 điểm K và A trên sơ đồ, ta có ϕK bằng điện ápchỉnh lưu của sơ đồ tia 3 pha các van nối Cathode chung udtK, còn -ϕA bằngbằng điện áp chỉnh lưu của sơ đồ tia 3 pha các van nối anode chung udtA (ϕK=

udtK, ϕA= - udtA) Ta có thể tóm tắt sự hoạt động của sơ đồ trong hơn một chu

Và từ ωt=ν7 thì sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc giống như từ ωt=ν1

Đồ thị điện áp chỉnh lưu, dòng các van, dòng các pha nguồn xoay chiều khimáy biến áp nối Y/Y như trên hình vẽ Điện áp trên van có dạng giống như

ở sơ đồ hình tia 3 pha

c Giản đồ dòng điện điện áp

b Nguyên lý hoạt động của sơ đồ

Khi phụ tải thuần trở (Rd≠0, Ed=0, Ld=0 )

Trên hình vẽ biểu diễn ϕK và ϕA tương ứng với một giá trị khác nhaucủa góc điều khiển: α=300; α=600; α=900 Nhìn vào đồ thị ta nhận thấy cóthể xẩy ra 2 chế độ làm khác nhau tương ứng với 2 vùng giá trị của α:

Chế độ thứ nhất: Khi π/3 ≥ α thì dòng tải liên tục Sự chuyển mạchdòng điện trong các van nhóm Cathode chung (có điều khiển) diễn ra ở thờiđiểm truyền xungđiều khiển đến các van Sự chuyển mạch dòng điển trongnhóm van anode chung (không điều khiển) diễn ra tại thời điểm chuyểnmạch tự nhiên.Trong trường hợp này từ đồ thị ta có:

1 cos (3/ 2 ) 6 2sin( ) ( )

2 0

Chế độ thứ hai: Khi 2π/3 ≥ α>π/3, dòng qua tải bị gián đoạn Việc

mở các van trong cả hai nhóm van diễn ra từng cặp tại các thời điểm tatruyền xung điều khiển đến các van có điều khiển Sự chuyển mạch dòngđiện từ van này sang van khác lúc này không xảy ra vì dòng tải cũng nhưdòng qua các van đã bằng không trước thời điểm ta đưa xung điều khiển đến

mở van tiếp theo Từ đồ thị ta có:

0

1 cos (3/ 2 ) 6 2sin( ) ( )

 Khi điện cảm mạch tải vô cùng lớn (Ld=∞)

Nghiên cứu sơ đồ trong trường hợp này thuận tiện nhất là xem như nối nốitiếp 2 sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha, một sơ đồ có điều khiển gồm các van

T1,T2, T3 nối Cathode chung và một sơ đồ không điều khiển gồm 3 diode

D1, D2, D3, mắc anode chung Dòng tải liên tục và bằng phẳng Với trườnghợp này ta có thể coi rằng sơ đồ cầu 3 pha bán điều khiển bị phân tích thành

2 sơ đồ hình tia 3 pha làm việc độc lập Điện áp chỉnh lưu đầu ra của sơ đồcầu bằng tổng điện áp chỉnh lưu của 2 sơ đồ tia mà một có điều khiển vàmột không điều khiển (chú ý rằng điện áp chỉnh lưu trung bình khi α=0 của

sơ đồ cầu 3 pha gấp đôi của sơ đồ tia 3 pha):

Ud = Ud0/2 + (Ud0/2).cosα = Ud0 (1+cosα)/2

So sánh biểu thức này với biểu thức tính Ud khi tải thuần trở ta thấychúng hoàn toàn giống nhau Vậy trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha bán điềukhiển thì điện áp chỉnh lưu trung bình khi tải điện trở và khi dòng tải liên tục

là như nhau với cùng một giá trị góc điều khiển

Nhận xét: Do sử dụng cả các van không điều khiển nên khi sơ đồ

chỉnh lưu làm việc thì dòng điện lưới (nguồn) ngoài các sóng hài bậc lẻ như

đã nêu còn có cả các sóng hài bậc chẵn