Giáo trình Điện tử công suất

CHƯƠNG 1: CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG Cung cấp cho sinh viên kiến thức phần tử bán dẫn công suất sử dụng mạch điện tử công suất như: cấu tạo, kí hiệu, nguyên lí làm việc, đặc tính V-A, thơng số kĩ thuật ứng dụng phần tử bán dẫn công suất 1.1 ĐIOT CÔNG SUẤT Cấu tạo nguyên lý hoạt động Điot (Diode) tạo thành việc ghép hai phiến bán dẫn p – n tạo nên vùng chuyển tiếp (một lớp tiếp giáp) ký thiệu J Điot có điện cực, điện cực nối từ bán dẫn loại p gọi Anot (Anode), ký hiệu A, điện cực lại nối từ bán dẫn n gọi katot (Kathode Cathode) ký hiệu K Ký hiệu biểu diễn điot minh họa hình 1.1b A J P A A not N K K K atot Hình 1.1: Cấu tạo (a) ký hiệu (b) điot Điện áp điot quy ước với chiều dương hướng từ A sang K ký hiệu uD, uD > ta nói điện áp điot thuận (hay điot đặt điện áp thuận), ngược lại uD < ta nói điện áp điot ngược (hay điot chịu điện áp ngược) Dòng điện qua điot quy ước chiều với điện áp ký hiệu iD Đặc tính Vơn – ampe (V-A) điot mối quan hệ dòng điện điện áp điot iD (uD), thể đồ thị hình 1.2 Đặc tính gồm hai phần: đặc tính thuận góc phần tư thứ I, tương ứng với uAK > Đặc tính ngược góc phần tư thứ III, tương ứng uAK < Trên đường đặc tính thuận, điện áp anot – katot tăng dần từ đến vượt qua ngưởng điện áp UDo (0,6V ÷ 0,7V), dịng chảy qua điot Dịng điện iD thay đổi lớn, điện áp tơi điot uAK hầy thay đổi Như vậy, đặc tính thuận điot đặc trưng tính chất có điện trở tương đương nhỏ Trên đường đặc tính ngược, điện áp uAK tăng dần từ đến giá trị Ung.max, gọi điện áp ngược lớn nhất, dịng qua điot có giá trị nhỏ, gọi dòng rò, nghĩa điot cản trở dòng chạy qua theo chiều ngược Cho đến uAK đạt đến giá trị Ung.max xảy tượng dịng qua điot tăng đột ngột, tính chất cản trở dòng điện ngược điot bị phá vỡ Q trình khơng có tính đảo ngược, nghĩa ta lại giảm điện áp anot – katot dịng điện khơng giảm Ta nói điot bị đánh thủng Trong thực tế, để đơn giản cho việc tính tốn, người ta thường dùng đặc tính dẫn dịng tuyến tính hóa điot biểu diễn hình 1.2b Đặc tính V-A Đặc tính V-A điot thực tế khác nhau, phụ thuộc vào dòng điện cho phép chạy qua điot điện áp ngược lớn mà điot chịu Tuy nhiên để phân tích sơ đồ biến đổi đặc tính lý tưởng cho hình 1.2a sử dụng nhiều Theo đặc tính lý tưởng, điot cho phép dịng điện lớn chạy qua với sụt áp chịu điện áp ngược lớn với dòng rò Nghĩa theo đặc tính lý tưởng, điot có điện trở tương đương dẫn khóa ∞ i i i UDo ( a) UUBR U U U ng.max ( ( UDo c) b) Hình 1.2: Đặc tính V-A điot (a) Đặc tính lý tưởng; (b) Đặc tính tuyến tính hóa; (c) Đặc tính thực tế Các tham số Khi lựa chọn kiểm tra điot ta thường phải dựa vào số tham số mà nhà sản xuất đưa ra: - Điện áp ngược cực đại: Ungmax điện áp ngược cực đại cho phép đặt vào điot mà không làm hỏng điot - Dòng điện thuận định mức: Là giá trị trung bình hiệu dụng lớn cho phép dòng điện qua điot mà điot đảm bảo hoạt động bình thường - Sụt điện áp thuận điot (uD): giá trị điện áp thuận điot điot làm việc trạng thái mở (dẫn dòng) với dịng điện giá trị định mức Ngồi ra, tùy thuộc vào loại điot mà cịn có số tham số khác 1.2 THYRISTOR Cấu tạo nguyên lý hoạt động Thyristor phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n tạo thành lớp tiếp giáp J1, J2, J3 Thyristor có nhiều loại khác có ba điện cực là: Anot (A), Katot (K), cực điều khiển (G – Gate), loại thyristor thông dụng (loại điều khiển theo katot) biểu diễn hình 1.3 Sau nghiên cứu đặc tính loại thyristor (a) (b) Hình 1.3: Cấu tạo ký hiệu thyristor (a) Cấu tạo thyristor (b) Ký hiệu Nguồn điện áp cấp cho mạch anot katot thyristor (uAK), nguồn điện áp cung cấp cho cực điều khiển thyristor (uđk), điện áp A K thyristor ký hiệu uT, dòng qua mạch A-K vủa thyristor ký hiệu iT, dòng điện vào cực điều khiển thyristor ký hiệu idk Trường hợp khơng có dịng điện điều khiển (iđk = iG= 0) Khi dòng vào cực điều khiển thyrisor hay hở mạch cực điều khiển thyristor cản trở dòng điện ứng với hai trường hợp phân cực điện áp anot – katot Khi điện áp uAK < theo cấu tạo bán dẫn thyristor hai tiếp giáp J1, J3 phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận, thyristor giống hai điốt mắc nối tiếp bị phân cực ngược Qua thyristor có dòng điện nhỏ chạy qua, gọi dòng rò Khi uAK tăng đạt đến giá trị điện áp lớn ung,max xảy tượng thyristor bị đánh thủng, dịng điện tăng lên lớn Giống đoạn đặc tính ngược điốt trình bị đánh thủng trình khơng thể đảo ngược nghĩa có giảm điện áp uAK xuống mức ung,max dịng điện giảm mức dòng rò Thyristor bị hỏng Khi tăng điện áp A-K theo chiều thuận uAK > 0, lúc đầy có dịng điện nhỏ chạy qua , gọi dòng rò Điện trở tương đương mạch A-K có giá trị lớn Khi tiếp giáp J1 J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Cho đến uAK tăng đạt giá trị điện áp thuận lớn (uth,max), xảy tượng điện trở tương đương mạch A-K đột ngột giảm, dòng điện chạy qua thyristor bị giới hạn điện trở mạch Nếu dịng điện qua thyristor có giá trị lớn mức dòng điện tối thiểu, gọi dòng trì (Idt) thyristor dẫn dịng đường đặc tính thuận, giống đường đặc tính thuận điốt Đoạn đặc tính thuận đặc trưng tính chất dịng có giá trị lớn điện áp rơi anot katot nhỏ không phụ thuộc vào giá trị dịng điện Trường hợp có dịng điện vào cực điều khiển (IG > 0) Nếu có dịng điều khiển đưa vào cực điều khiển katot, trình chuyển điểm làm việc đường đặc tính thuận xảy sớm hơn, trước điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uth,max Điều mô tả hình 1.4 đường nét đứt, ứng với giá trị dòng điều khiển khác IG1, IG2, IG3,…Nói chung dịng điều khiển lớn điểm chuyển đặc tính làm việc xảy với uAK nhỏ Tình hình xảy đường đặc tính ngược khơng có khác so với trường hợp dịng điều khiển Thyristor có đặc tính điốt, nghĩa cho phép dòng chạy qua theo chiều, từ Anot đến Katot cản trở dòng điện chạy theo chiều ngược lại Tuy nhiên khác với điốt, để thyristor dẫn dịng ngồi điều kiện phải có điện áp UAK > cịn cần thêm số điều kiện khác Do thyristor coi phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt với điôt phần tử không điều khiển Mở thyristor Khi phân cực thuận, UAK > 0, thyristor mở hai cách: Thứ nhất: tăng điện áp anot-katot đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uthmax Khi điện trở tương đương mạch anot-katot giảm đột ngột dịng qua thyristor hồn tồn mạch xác định Phương pháp thực tế không áp dụng nguyên nhân mở không mong muốn khơng phải lúc tăng điện áp đến giá trị Uth,max Vả lại xảy trường hợp thyristor tự mở tác dụng xung điện áp thời điểm ngẫu nhiên, không định trước Phương pháp thứ hai, phương pháp áp dụng thực tế, đưa xung dịng điện có giá trị định vào cực điều khiển katot Xung dòng điện điều khiển chuyển trạnh thái thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp mức điện áp anot-katot nhỏ Khi dịng qua anot-katot lớn giá trị định, gọi dịng trì (Idt) thyristor tiếp tục trạng thái mở dẫn dịng mà khơng cần đến tồn xung điều khiển Điều có nghĩa điều khiển thyristor xung dịng có độ rộng xung định, cơng suất mạch điều khiển nhỏ, so với công suất mạch lực mà thyristor phần tử đóng cắt, khống chế dịng điện Khóa thyristor Một thyristor dẫn dòng trở trạng thái khóa (điện trở tương đương mạch anotkatot tăng cao) dòng điện giảm xuống, nhỏ giá trị dòng trì, Idt Tuy nhiên để thyristor trạng thái khóa, với trở kháng cao, điệnn áp anot-katot lại dương (UAK > 0) cần phải có thời gian định để lớp tiếp giáp phục hồi hoàn tồn tính chất cản trở dịng điện Khi thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, UAK> 0, hai lớp tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, điện tíchđi qua hai lớp dễ dàng lấp đầy lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược Vì mà dịng điện chảy qua ba lớp tiếp giáp J1, J2, J3 Để khóa thyristor lại cần giảm dịng anot-katot mức dịng trì (Idt) cách đổi chiều dòng điện áp điện áp ngược lên anot-katot thyristor Sau dịng khơng phải đặt điện áp ngược lên anot-katot (UAK < 0) khoảng thời gian tối thiểu, gọi thời gian phục hồi tk (tài liệu tiếng anh ký hiệu toff), sau thyristor cản trở dịng điện theo hai chiều Trong thời gian phục hồi có dịng điện ngược chạy anot katot Dòng điện ngược di tản điện tích khỏi tiếp giáp J2 nạp điện cho tụ điện tương đương hai tiếp giáp J1 J3 phục hồi Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích cần di tản cấu trúc bán dẫn thyristor nạp điện cho tiếp giáp J1, J3 đến điện áp ngược thời điểm Thời gian phục hồi (tk) thông số quan trọng thyristor Thời gian phục hồi xác định dải tần số làm việc thyristor Thời gian tk có giá trị cỡ 5÷10μs thyristor có tần số đóng cắt cao, 50÷200μs thyristor có tần số đóng cắt thấp đặc tính V – A Đặc tính V-A thyristor gồm phần (hình 1.4) - Phần thứ nằm góc phần tư thứ I đặc tính nhánh thuận tương ứng với trường hợp điện áp uAK > Phần thứ hai nằm góc phần tư thứ III, gọi đặc tính nhánh ngược, tương ứng với trường hợp điện áp uAK < Hình 1.4: Đặc tính Vơn – Ampe (V-A) thyristor Các thông số a) Giá trị dịng trung bình cho phép chạy qua thyristor ( Itb) Đây giá trị lớn dịng trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt độ cấu trúc tinh thể bán dẫn thyristor không vượt giá trị cho phép cho phép chạy qua cịn phụ thuộc vào điều kiện làm mát nhiệt độ mơi trường Thyristor gắn lên tản nhiệt tiêu chuẩn làm mát tự nhiên Ngồi thyristor phải làm mát cưỡng nhờ quạt gió dùng chất lỏng để tải nhiệt lượng tỏa nhanh Vấn đề làm mát van bán dẫn đề cập phần sau, lựa chọn dịng điện theo phương án sau: - Làm mát tự nhiên: dòng sử dụng cho phép đến 1/3 giá trị ( Itb) Làm mát cưỡng quạt gió: dịng sử dụng 2/3 giá trị ( Itb) Làm mát cưỡng nước: sử dụng 100% giá trị ( Itb) b) Điện áp ngược lớn cho phép (Ung.max) Đây giá trị lớn điện áp cho phép đặt lên thyristor theo chiều ngược mà không làm hỏng thysistor Do biến đổi lòng việc thường xuyên xuất xung điện áp không mong muốn, vậy, để đảm bảo an tồn lựa chọn van theo điều kiện điện điện áp cần tính đến độ dự trữ định thường phải chọn Ung.max 1,5 đến 2,5 lần giá trị lớn điện áp ngược tính tốn theo sơ đồ biến đổi c) Điện áp thuận lớn cho phép (UTng.max) Đây giá trị điện áp lớn cho phép đặt lên thyristor theo chiều thuận mà không làm mở khơng có tín hiệu điều khiển, thường điện áp thuận lớn cho phép xấp xỉ điện áp ngược lớn cho phép d) Thời gian khơi phục tính chất điều khiển thyristor (tk) Đây thời gian tối thiểu tính từ lúc dịng điện thuận qua thyristor giảm khơng đến thời điểm đặt điện áp thuận lên thyristor với tốc độ tăng cho phép mà không làm cho thyristor tự mở lại (khi khơng có tín hiệu điều khiển) Thời gian khơi phục tính chất điều khiển (cịn gọi thời gian khơi phục tính chất khóa hay thời gian khóa) thyristor phụ thuộc vào điều kiện khóa van Nếu khóa van phương pháp đặt điện áp ngược lên van tk giảm so với phương pháp khóa khác 1.3 TRIAC Cấu trúc nguyên lý hoạt động Triac phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm năm lớp tạo nên cấu trúc p – n – p – n thyristor theo hai chiều cực MT1 MT2 thể Điện cực T2 hình Anh có ký hiệu sơ đồ dẫn dịng theo chiều từ m T1 n p T sang T2 ngược lại nguyên tắc chia coi tương đương với thyristor đấu n song song ngược hình 1.5a Triac p n n có ký hiệu sơ đồ 1.5b, có G thể dẫn dòng theo chiều từ MT1 sang MT2 ngược lại Về nguyên tắc, triac coi tương đương với thyristor đấu song song ngược T (b) ký hiệu Điện cực T1 G cổng (a)Cấu tạo Hình 1.5: Triac Đối với triac người ta không dùng thuật ngữ anot katot Mà dùng thuật ngữ “đầu nối” B1 B2 Về hình dáng bề ngồi, triac giống thyristor => phải vào mã hiệu để phân biệt Có tổ hợp điện mở triac cho dịng chảy qua: B2 G + + + - - - - + Trường hợp B2(+), G(+) thyristor T mở cho dịng chảy qua thyristor thơng thường Trường hợp B2 (-) G(-), điện tử từ N3 phóng vào P2 Phần lớn bị trường nội E1 hút vào khiến cho barie giảm thấp gần toàn điện áp đặt lên J2, khiến cho barie cao lên Nếu điện áp đủ lớn làm cho barie cao đến mức hút vào điện tích thiển số làm động chúng đủ lớn để bẻ gãy liên kết nguyên tử Si vùng Kết phản ứng dây chuyền T’ mở cho dòng chảy qua Đặc tính V-A Đặc tính vơn - ampe triac bao gồm hai đoạn đặc tính đối xứng nằm góc phần tư thứ thứ I thứ III, đoạn giống đặc tính nhánh thuận thyristor biểu diễn hình 1.6 Hình 1.6: Đặc tính V-A triac Triac điều khiển mở xung dòng điều khiển dương (dòng vào cực điều khiển) âm (dòng khỏi cực điều khiển) Lấy cực MT1 làm chuẩn, trường hợp MT2 dương G dương MT2 âm G âm sử dụng nhiều Triac đặc biệt hữu ích ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều đóng cắt (cơng tắc tơ) khơng tiếp điểm 1.4 THYRISTOR ĐIỀU KHIỂN HỒN TỒN, GTO Cấu tạo nguyên lý hoạt động Những thyristor điều khiển khóa tín hiệu điều khiển cịn gọi thyristor hai tác động hay thyristor điều khiển hoàn toàn (GTO – Gate Turn Off), thyristor có khả điều khiển mở khóa tín hiệu điều khiển cấp vào cực G Sử dụng loại thyristor chủ động thời điểm mở khóa nhờ tín hiệu điều khiển Việc ứng dụng GTO phát huy ưu điểm phần tử bán dẫn, khả đóng cắt dịng điện lớn lại điều khiển tín hiệu điện cơng suất nhỏ Hình 1.7: Cấu tạo ký hiệu GTO Cấu trúc bán dẫn GTO phức tạp thyristor hình 1.7a Ký hiệu GTO minh họa hình 1.7b, rõ đặc tính điều khiển dịng điện vào cực điều khiển để mở GTO, dòng khỏi cực điều khiển dùng để di chuyển điện tích khỏi cấu trúc bán dẫn nó, để khóa GTO lại Trong cấu trúc bán dẫn GTO, lớp p anot bổ sung lớp lớp n+, dấu “+” bên cạnh mật độ điện tích tương ứng ứng, lỗ trống điện tử làm giàu thêm với mục đích làm giảm điện trở dẫn vùng Cực điều khiển nối vào lớp p thứ ba chia nhỏ phân bố so với lớp n+ katot Khi chưa có dịng điều khiển, anot có điện áp dương so với katot tồn điện áp rơi tiếp giáp J2 giống cấu trúc thyristor Tuy nhiên katot có điện áp dương so với anot tiếp giáp p+ - n sát anot bị đánh thủng điện áp thấp, nghĩa GTO chịu điện áp ngược GTO điều khiển mở cách cho dòng vào cực điều khiển, giống thyristor thường Tuy nhiên cấu trúc bán dẫn khác nên dịng trì GTO cao thyristor thường, dịng điều khiển phải có biên độ lớn thời gian dài để dòng qua GTO kịp vượt qua giá trị dịng trì Giống thyristor thường, sau GTO mở dịng điều khiển khơng cịn tác dụng Như mở GTO xung ngắn, với công suất không đáng kể Để khóa GTO phải có xung dịng khỏi cực điều khiển Khi van dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứa số lượng lớn điện tích sinh tác dụng hiệu ứng bắn phá “vũ bão” tạo nên vùng dẫn điện, cho phép điện tử di chuyển từ katot (vùng n+ đến anot (vùng p+) tạo nên dòng anot Bằng cách lấy số lượng lớn điện tích qua cực điều khiển, vùng dẫn điện bị co hẹp bị ép phía vùng n+ anot vùng n+ katot Kết dòng anot bị giảm Dòng điều khiển trì thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khóa 1.5 TRANSISTOR CƠNG SUẤT, BJT (Bipolar Junction Transistor) Cấu tạo nguyên lý hoạt động Hình 1.8: Cấu tạo BJT Transistor có hai lớp p-n, dựa theo cấu tạo lớp ta phân biệt hai loại: transistor p-np (transistor thuận) transistor n-p-n (transistor ngược) Cấu trúc thường gọi BJT - Bipolar Junction Transistor, dịng điện chạy cấu trúc bao gồm hai loại điện tích âm dương (Bipolar nghĩa hai cực tính) Transistor có ba cực: cực gốc (Base), ký hiệu B; cực góp (Collector), ký hiệu C; cực phát (Emitter) kí hiệu E Trong lĩnh vực điện tử công suất, transistor BJT sử dụng cơng tắc (khóa) đóng ngắt mạch điện phần lớn mắc theo dạng mạch có chung emitter Trên điện cực B, E điện áp điều khiển uBE Các điện cực C.E sử dụng làm cơng tắc đóng mở mạch cơng suất Điện điều khiển phải tác dụng tạo dòng iB đủ lớn để điện áp cổng CE đạt giá trị zero ( uCE → 0) Hình 1.9: Đặc tính V-A ngõ transistor mắc chung cực emitter 10 sơ đồ nghịch lưu dòng pha gọi nghịch lưu dịng cầu pha Sơ đồ BBĐ chưa có thiết bị chuyển mạch hình 5-18 Trong sơ đồ thyristor T1T4 làm nhiệm vụ biến đổi dịng chiều Id thành dòng xoay chiều it, để tạo nguồn có đặc trưng nguồn dịng điện ta mắc nối tiếp với mạch nguồn điện cảm lớn L0 , tải BBĐ trở điện trở điện cảm có thêm điện dung, ta nghiên cứu với loại phụ tải phổ biến tải điện trở điện cảm (Rt-Lt) + L0 Id T1 A Ud T3 T¶i Rt it Lt ut T4 B Hình 5-18 T2 - • Ngun tắc khống chế Để tạo dòng điện xoay chiều phụ tải người ta khống chế cặp van T1, T2 T3, T4 làm việc lệch nửa chu kỳ (tức lệch 1800 điện) Ví dụ từ t=0t=T/2 (t=0t=) ta khống chế mở T1, T2 khoá T3, T4 , mạch có dịng điện theo đường (+Ud) - L0 - T1 - tải - T2 - (-Ud) , ta có : it=Id ; từ t=T/2t=T (t=t=2) ta khống chế khố T1, T2 mở T3, T4 , nên mạch có dòng điện theo đường (+Ud) - L0 - T3 - tải - T4 - (-Ud) khoảng ta có: it = -Id Các chu kỳ sơ đồ làm việc tương tự Ta có đồ thị dịng tải hình 5-19 it Hịnh 5-19 0 Id T/2 () Id 2T T (2) (3) (4) t (t) Từ đồ thị dòng tải ta thấy dòng tải dịng xoay chiều khơng hình sin, với sóng hài bậc dịng điện có tần số tần số khống chế BBĐ (tần số khống chế van) thành phần sóng hài bậc cao Việc xác định điện áp tải ứng dụng 193 nguyên lý xếp chồng : ut = u1+un , u1 thành phần sóng hài bậc điện áp tải, un thành phần sóng hài bậc n (n>1 nguyên) điện áp tải *Chú ý : Do nguồn cung cấp nguồn dòng điện chiều nên dịng mạch nguồn khơng đổi chiều, nghịch lưu dịng thường khơng sử dụng điơt ngược 5.3.1.2 Một số sơ đồ nghịch lưu dịng pha có phần tử chuyển mạch (có mạch chuyển đổi) a Sơ đồ dùng máy biến áp có điểm khơng (có trung tính) it Rt Lt ut L0 Id W2 * * + W11 Ud O BA * W12 (+) (-) A T1 - C+ Hình 5-20 B T2 Sơ đồ BBĐ hình 5-20 Trong sơ đồ sử dụng thyristor T1 T2 Mạch chuyển đổi sử dụng tụ điện C mắc song song với cuộn sơ cấp máy biến áp BA, mắc tụ chuyển mạch song song với cuộn thứ cấp BA Máy biến áp BA BBĐ có cuộn sơ cấp có số vịng giống đấu sơ đồ Nhờ sử dụng máy biến áp có điểm khơng mà ta giảm số van có điều khiển BBĐ • Ngun lý chuyển mạch BBĐ đổi sau: Ta giả thiết van T1 làm việc, xuất dòng điện theo vòng (+Ud) - - W11 - A - T1 - (-Ud) Trên mạch tải có nửa chu kỳ dương dòng tải Đồng thời với việc T1 dẫn dịng có nạp điện cho tụ C tổng điện áp cuộn sơ cấp, C có điện áp với cực tính ghi sơ đồ dấu ngoặc Tại thời điểm t=t0 ta cần khố T1 mở T2 để tạo nửa chu kỳ âm dòng tải, ta truyền xung điều khiển đến T2, van T2 mở tụ C phóng điện qua T2 đặt tồn điện áp lên T1 với cực tính dương đặt vào katốt, tức T1 bị đặt điện áp ngược nên khoá lại Tụ C sau 194 phóng đến điện áp khơng nạp theo chiều ngược lại để chuẩn bị cho q trình khố T2 ta mở T1 (tại t=t0+T/2) b Sơ đồ sử dụng tiristor phụ (hình 5-21) L0 Hình 5-21 Id + T5 T1 C1 Ud it Rt C2 Lt - + T8 T7 T3 T¶i - + T4 ut T2 T6 Trong sơ đồ ta sử dụng thyristor phụ từ T5 đến T8 kết hợp với tụ C1 C2 để đảm bảo q trình chuyển mạch dịng điện tiristor T1T4 • Nguyên lý chuyển mạch Ta xét trình khố T1 T2 Giả thiết T1 T2 dẫn dòng chuyển mạch giai đoạn trước mà tụ C1 C2 nạp điện với cực tính hình vẽ Tại t=t0 ta cần khoá T1, T2 mở T3, T4 ta truyền xung điều khiển đến mở T3, T4, T5, T6 Hai van T5, T6 mở tụ C1, C2 phóng điện qua van - qua phụ tải - qua nguồn cung cấp gây nên điện áp ngược T1 T2, nên T1, T2 khoá lại Khi dịng tải giảm có xu hướng đổi chiều T3 T4 dẫn dịng, tụ sau phóng đến điện áp khơng nạp theo chiều ngược lại đến điện áp biên độ điện áp tải dịng tụ tiristor phụ khơng có xu hướng đổi chiều, tiristor phụ T5, T6 khoá lại, điện áp tụ giữ nguyên (cực tính ngược với ghi sơ đồ) để chuẩn bị cho q trình khố T3 T4 ta mở T7, T8 5.3.2 Nghịch lưu dòng điện ba pha 5.3.2.1 Nguyên tắc khống chế Cũng tương tự với nghịch lưu điện áp ta tạo hệ thống dịng điện xoay chiều ba pha từ nguồn cung cấp nguồn dòng chiều cách sử dụng ba BBĐ pha làm việc tần số thứ tự lệch 1/3 chu kỳ dùng BBĐ ba pha Ở ta sử dụng sơ đồ nghịch lưu mắc theo sơ đồ cầu ba pha để xét nguyên tắc tạo 195 hệ thống dòng xoay chiều ba pha Sơ đồ BBĐ chưa có phần tử chuyển mạch hình 5-22 Trong sơ đồ sử dụng tiristor phân làm nhóm van nghịch lưu áp, nguồn cung cấp có đặc trưng nguồn dịng ta mắc nối tiếp với nguồn điện cảm lớn L0, sơ đồ ta mắc tải dạng hình (Y) L0 + Id T5 T3 T1 A Ud T4 C B iB T2 iA T6 Hình 5-22 iC uA ZA iA uB ZC ZB uC Hình 5-23 t Id /3 2/3  4/3 2 5/3 7/3 iB t Id 2/3  4/3 2 5/3 7/3 iA t Id /3 2/3  4/3 5/3 2 7/3 *Nguyên tắc khống chế : hoàn toàn tương tự trường hợp nghịch lưu điện áp ba pha, đồ thị xung điều khiển van tuân theo qui luật hình 5-11 Do đặc điểm dòng nguồn liên tục không đổi, liên hệ với hoạt động sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha dòng mạch chiều (tải) liên tục van chu kỳ dẫn dòng khoảng thời gian 1/3 chu kỳ ta suy : Trong sơ đồ nghịch lưu dịng cầu ba pha van sơ đồ dẫn dòng khoảng thời gian 1/3 chu kỳ dòng điện tải, tức góc dẫn van : =2/3 196 Từ ta có đồ thị dịng tải biến đổi hình 5-23 Dịng qua tải dịng điện xoay chiều khơng hình sin có phổ sóng hài giống trường hợp dòng điện qua lưới điện sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha làm việc với tải có Ld→ 5.3.3 Một số sơ đồ nghịch lưu dịng ba pha có phần tử chuyển mạch (có mạch chuyển đổi) Cũng nghịch lưu áp ba pha, nghịch lưu dịng ba pha có nhiều dạng mạch chuyển đổi khác Sau ta xét vài sơ đồ số a Sơ đồ chuyển mạch tụ có sử dụng điốt ngăn cách Sơ đồ BBĐ hình 5-24, để chuyển mạch dịng nhóm van anơt chung ta sử dụng tụ C13 , C15 , C35 , để chuyển mạch van nhóm katơt chung ta sử dụng tụ C24 , C26 , C46 Các điốt D1D6 có tác dụng ngăn cách dịng phóng tụ với tải để giảm nhỏ ảnh hưởng tải tới thời gian phục hồi tính chất điều khiển tiristor từ T1  T6 *Nguyên lý chuyển mạch Ta giả thiết van T1 T2 làm việc, thời điểm t=t0 ta cần khoá T1 mở T3 Khi T1 dẫn dịng tụ C13 , C35 C15 nạp điện với cực tính điện áp tụ ghi sơ đồ Tại t=t0 ta truyền xung điều khiển đến T3 trình chuyển mạch dòng điện từ T1 sang T3 diễn qua giai đoạn sau: + L0 Id T1 T3 + C13 C1 C35 +5 D3 D1 T5 - + iA ZA D5 iB A Ud B D4 C D6 C46 C24 uA D2 iC uB ZB uC ZC C26 Hình 5-24 T4 - T6 T2 197 -Giai đoạn 1: Các tụ C13 , C15 , C35 phóng nạp theo mạch vịng hình 5-25, lúc tụ C15 xem mắc nối tiếp với tụ C35 chúng lại mắc song song với tụ C13 , toàn xem tụ tương đương có điện dung 2/3 điện dung tụ [Ctđ=(2/3)C] Tụ tương đương phóng điện theo mạch vịng Ctđ - D1 - ZA - ZC - D2 - T2 Ud - L0 - T3 - Ctđ Sự phóng điện tụ qua T3 tạo nên điện áp ngược tiristor T1 làm cho T1 khoá lại Sơ đồ tương đương giai đoạn biểu diễn lại hình 5-26 Trong giai đoạn dịng tải pha A tiếp tục trì, điện áp tụ tạo nên điện áp ngược D3 D3 chưa làm việc, chưa có dòng qua tải pha B L0 + Id T1 C13 + - C35 - C15 D1 Ud T3 + - + iA A C iC Hình 5-25 uA ZA uC ZC D2 T2 - Giai đoạn 2: Lúc điện áp tụ thay đổi nhỏ điện áp pha A nên D3 bắt đầu phân cực thuận dẫn dòng, mặt khác dòng qua D1 ZA còn, sơ đồ tương đương giai đoạn hình 5-27 Trong giai đoạn tụ tiếp tục phóng sau nạp ngược lại đầy, dòng tải pha A giảm khơng q trình chuyển mạch dịng từ pha A sang pha B kết thúc Q trình khố van khác diễn tương tự + Hình 5-26 Ud - L0 Id T + - D1 iA uA ZA Ct® T2 D2 iC uC ZC 198 L0 + I d T3 + Ct® Hình 5-27 D1 D3 iA iB uA ZA uB ZB Ud D2 T2 iC uC ZC - b Sơ đồ chuyển mạch nhóm Sơ đồ BBĐ hình 5-28, ngồi phần tử nêu sơ đồ cịn có tiristor phụ T7 , T8 tụ điện Ccm phần tử chuyển mạch L0 + Id T5 T3 T1 B A Ud T7 Ccm C + T4 iB T2 iA T6 iC T8 Hình 5-28 uA ZA uB ZB uC ZC *Nguyên lý chuyển mạch Giả thiết sơ đồ có van làm việc, ví dụ T1 T2, tụ chuyển mạch Ccm nạp điện hình vẽ với điện áp lớn điện áp pha phụ tải Tại thời điểm cần khoá T1 ta truyền xung điều khiển đến T7 dẫn đến T7 mở Van T7 mở tụ Ccm phóng điện qua ZC- T2 - nguồn - L0 - T7 quay Ccm , uCcm>uA nên T1 bị đặt điện áp ngược khố lại Sau phóng đến điện áp khơng tụ Ccm nạp ngược lại để chuẩn bị cho việc khoá T2 ta mở T8 Quá trình khoảng tiếp sau diễn tương tự 199 5.4 NGHỊCH LƯU CỘNG HƯỞNG 5.4.1 Phân loại nghịch lưu cộng hưởng theo tải Như nêu phần thứ chương này, nghịch lưu cộng hưởng BBĐ chiều-xoay chiều nguồn có đặc trưng tải phải dao động cộng hưởng với tần số lớn tần số làm việc BBĐ Khi nguồn cung cấp dạng nguồn áp người gọi nghịch lưu cộng hưởng có đầu vào hở, nguồn cung cấp dạng nguồn dòng người gọi nghịch lưu cộng hưởng có đầu vào kín Chính dao động cộng hưởng phụ tải làm ngắt dịng qua van làm cho van khố nên sơ đồ BBĐ sử dụng phần tử chuyển mạch nghịch lưu áp dịng nghiên cứu Để mạch tải có tính chất dao động cộng hưởng người ta sử dụng phần tử R-L-C mắc theo sơ đồ khác BBĐ thường phân loại theo cách mắc mạch tải: -Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp : có phần tử phụ tải mắc nối sơ đồ hình 5-29a -Nghịch lưu cộng hưởng song song: có phần tử phụ tải mắc song song theo sơ đồ hình 5-29b 5-29c -Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp-song song: có phần tử phụ tải mắc theo sơ đồ hình 5-29d 5-29e Ct A A Ct Lt Rt B a b Lt B Lt Rt Ct Ct2 Ct1 B A Rt A d c Lt B Rt Ct2 A Ct1 Lt B e Hình 5-29 Rt 200 5.4.2 Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp nguồn áp 5.4.2.1 Sơ đồ nguyên lý Hình 5-30 + D11 Ud C0 T1 A Ct it T¶i Rt D33 T3 Lt B uCt - D44 T4 ut T2 D22 Sơ đồ BBĐ biểu diễn hình 5-30, sơ đồ ta có: Các thyristor T1T4 dùng để biến đổi lượng điện chiều nguồn thành lượng điện xoay chiều phụ tải gồm phần tử Rt, Lt Ct, giá trị phần tử phụ tải lựa chọn cho chúng có tính chất dao động cộng hưởng với tần số cộng hưởng f0>f tần số làm việc BBĐ Ta có f0=0/2 f=/2 (hay =2f), giá trị 0 xác định theo công thức sau: Trong sơ đồ cịn sử dụng điơt ngược D11D44 để trả lượng phản kháng từ tải nguồn 5.4.2.2 Nguyên lý làm việc Đối với BBĐ tuỳ theo quan hệ f f0 mà xẩy chế độ khác dòng tải: Chế độ dòng tải gián đoạn chế độ dòng tải liên tục a Chế độ dòng tải gián đoạn Chế độ làm việc BBĐ xẩy f0>2f Nguyên lý làm việc sơ đồ trường hợp sau: Giả thiết t=0 ta truyền xung điều khiển đến mở T1 T2 , hai van mở bắt đầu dẫn dòng bắt đầu xuất q trình dao động mạch Dịng qua tải tăng từ khơng (do chế độ dịng tải gián đoạn nên thời điểm mở 201 cặp van có điều khiển dịng tải khơng) đến giá trị cực đại giảm không t=t1=1 (ta có 0t1= ) bắt đầu đổi chiều Do van khơng cho dịng ngược chiều nên T1 T2 tự khố lại, dịng tải khép kín qua điơt ngược D11, D22 qua nguồn cung cấp Đến t=t2 =2 =2t1 (ta có 0t2=2 ) dịng tải lại khơng có xu hướng đổi chiều nên D11, D22 khoá lại Mặt khác thyristor T1, T2 khố từ trước nên dịng tải giữ khơng Tại thời điểm t= ta truyền xung điều khiển đến mở T3 T4, hai van mở trình dao động dịng mạch tải lại bắt đầu Trên hình 5-31a biểu diễn số đồ thị minh hoạ nguyên lý hoạt động sơ đồ chế độ dòng tải gián đoạn Góc dẫn điơt góc dẫn tiristor (ký hiệu ) Góc khố van trường hợp là: it uđkT 1 tk=/ =/0 uđkT  2 = hay thời gian khoá thyristor 3 2 5 6 t 6 t 3 1  it 2 2 3 t 2 t 2 3 t 4 iT1 iT2 D 2 iD1 iD2  uT1 uT2 3 3 4 4  1 t iD1 iD2 T t uT1 uT2 t Ud 6 t  Ud t uC uC t t 0 a Hình 5-31 b 202 b Chế độ dòng điện tải liên tục Khi BBĐ làm việc với tần số cộng hưởng f0 thoả mãn : f