1

BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI

GIÁO TRÌNH

MÔ ĐUN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

( Áp dụng cho Trình độ Cao đẳng)

LƯU HÀNH NỘI BỘ NĂM 2017

2

LỜI GIỚI THIỆU

Điện tử công nghiệp ngày nay không chỉ bó hẹp trong lĩnh vực công nghiệp mà còn có mặt ở hầu hết các lĩnh vực kinh tế khác nhau, khi chúng ta phấn đấu xây dựng một nền kinh tế theo phương thức công nghiệp hóa. Vì vậy Bài giảng điện tử công suất không thể thiếu được trong quá trình nghiên cứu học tập của mô đun.

Hiện nay có rất nhiều tài liệu điện tử công suất tuy nhiên lại không phù hợp với học sinh, sinh viên học nghề. Như vậy với mục đích để học sinh, sinh viên học nghề có thể dễ dàng tiếp cận tôi viết bài giảng náy. Bài giảng “ Điện tử công suất” gồm 5 bài:

Bài 1: Các linh kiện điện tử công suất Bài 2: Bộ chỉnh lưu Bài 3: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều Bài 4: Bộ biến đổi điện áp một chiều

Bài 5: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần Mỗi bài sẽ đề cập tới các nội dung kiến thức cơ bản, các ví dụ minh hoạ và các

bài tập điều khiển thực tế để học sinh, sinh viên có thể hiểu rõ hơn. Dù đã cố gắng nhưng không thể tránh khỏi sai sót. Vì vậy tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến chân thành của đồng nghiệp và các bạn đọc.

Xin chân thành cảm ơn

Lào Cai, ngày …..tháng …..năm…… Tham gia biên soạn Chủ biên: Phạm Thị Huê

3

MỤC LỤC

1 Bài1: Các linh kiện điện tử công suất 1. Phân lọai 2. Diode 3. Transistor 4. Thyristor SCR, Diac, Triaac 5. Gate Turn off Thyristor GTO

4 4 4 7

10 13

2 Bài 2: Bộ chỉnh lưu 1. Bộ chỉnh lưu một pha 2. Bộ chỉnh lưu ba pha 3. Các chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu

19 19 32 44

3 Bài 3: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha 2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha

54 54 60

4 Bài 4: Bộ biến đổi điện áp một chiều 1. Bộ giảm áp 2. Bộ tăng áp 3. Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều

62 62 69 75

5 Bài 5: Bộ nghịch lưu và bộ biến tần 1. Bộ nghịch lưu áp một pha 2. Phân tích bộ nghịch lưu áp ba pha 3. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp 4. Bộ nghịch lưu dòng điện 5. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu dòng 6. Bộ biến tần gián tiếp, trực tiếp

78 78 81 83 84 87 89

4

Bài 1:

CÁC LINH KIỆN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1. Phân loại linh kiện điện tử công suất

+ Để thực hiện các ngắt ngắt điện điện tử có thể dung nhiều linh kiện hay nhóm linh kiện điện tử chịu được áp cao, dòng lớn, làm việc trong 2 chế độ:

- Dẫn điện hay bão hòa (ON) sụt áp qua kênh dẫn điện rất bé, dòng phụ thuộc vào tải.

- Khóa (OFF) dòng qua nó rất bé (≈ 0) kênh dẫn điện như hở mạch. Các linh kiện chính: Điode, Transisstor BJT, Transistor MOSFET, Transistor IGBT, Thyristor SCR, Triac, Gate Turn Off Thyristor GTO. 2. Diode Điôt là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn p-n. Điôt có hai cực, anôt A là cực nối với lớp bán dẫn kiểu p, catôt K là cực nối với lớp bán dẫn kiểu n. Dòng điện chỉ chạy qua điôt theo chiều từ A đến K khi điện áp UAK dương. Khi UAK âm, dòng qua điôt gần như bằng không. Cấu tạo và ký hiệu của điôt nh­ trên hình 1.1 2.1 Cấu tạo

Tiếp giáp bán dẫn p-n là bộ phận cơ bản trong cấu tạo của một điôt. Ở nhiệt độ môi trường, các điện tử tự do trong lớp bán dẫn n khi khuếch tán sang lớp bán dẫn p sẽ bị trung hoà bởi các ion dương ở đây. Do các điện tích trong vùng tiếp giáp tự trung hoà lẫn nhau nên vùng này trở nên nghèo điện tích, hay là vùng có điện trở lớn. Tuy nhiên vùng nghèo điện tích này chỉ mở rộng

)a )b Hình: 1.1 a) Cấu tạo; b) Ký hiệu

ra đến một độ dày nhất định vì ở bên vùng n khi các điện tử di chuyển đi sẽ để lại các ion dương, còn bên vùng p khi các điện tử di chuyển đến sẽ nhập vào lớp các điện tử hoá trị ngoài cùng, tạo nên các ion âm. Các ion này nằm trong cấu trúc tinh thể của mạng tinh thể silic nên không thể di chuyển được. Kết quả tạo thành một tụ điện với các điện tích âm ở phía lớp p và các điện tích dương ở phía lớp n. Các điện tích của tụ này tạo nên một điện trường E có hướng từ vùng n sang vùng p, ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các điện tử từ vùng n sang

5

vùng p. Điện trường E cũng tạo nên một rào cản Uj với giá trị không đổi ở một nhiệt độ nhất định, khoảng 0,65V đối với tiếp giáp p-n trên tinh thể silic ở nhiệt độ 250C (hình 1.2).

Các điôt công suất được chế tạo chịu được một giá trị điện áp ngược nhất định. Điều này đạt được nhờ một lớp bán dẫn n- tiếp giáp với lớp p, có cấu tạo giống như lớp n, nhưng ít điện tử tự do hơn. Khi lớp tiếp giáp p - n- được đặt dưới tác dụng của điện áp bên ngoài, nếu điện trường ngoài cùng chiều với điện trường E thì vùng nghèo điện tích sẽ mở rộng sang vùng n- điện trở tương đương của điôt càng lớn và dòng điện không thể chạy qua. Toàn bộ điện áp ngoài sẽ rơi trên vùng nghèo điện tích. Ta nói rằng điôt bị phân cực ngược.

jU

Hình: 1.2. Sự tạo thành điện thế rào cản trong tiếp giáp p-n

-n-n

)a)b

Hình: 1.3. Sự phân cực của điôt công suất: a) Phân cực ngược; b) Phân cực thuận

2.2 Đặc tính vôn-ampe của điôt: Một số tính chất của điôt trong quá trình làm việc có thể được giải thích thông qua việc xem xét đặc tính vôn-ampe của điôt trên hình 1.4a. Đặc tính gồm hai phần, đặc tính thuận nằm trong góc phần tư I tương ứng với UAK > 0, đặc tính ngược nằm trong góc phần tư III tương ứng với UAK < 0. Trên đường đặc tính thuận, nếu điện áp anôt-catôt tăng dần từ 0 đến khi vượt qua ngưỡng điện áp UD0 cỡ 0,6 – 0,7 V, dòng có thể chảy qua điôt. Dßng điện ID có thể thay đổi rất lớn nhưng điện áp rơi trên ®iôt UAK hầu như ít thay

6

đổi. Như vậy đặc tính thuận của điôt đặc trưng bởi tính chất có điện trở tương đương nhỏ. Trên đường đặc tính ngược, nếu điện áp UAK tăng dần từ 0 đến giá trị Ung.max, gọi là điện áp ngược lớn nhất thì dòng điện qua điôt vẫn có giá trị rất nhỏ, gọi là dòng rò, nghĩa là điôt cản trở dòng điện theo chiều ngược. Cho đến khi UAK đạt đến giá trị Ung.max thì xảy ra hiện tượng dòng qua điôt tăng đột ngột, tính chất cản trở dòng điện ngược của điôt bị phá vỡ. Quá trình này không có tính đảo ngược, nghĩa là nếu lại giảm điện áp trên anôt-catôt thì dòng điện vẫn không giảm. Ta nói điôt đã bị đánh thủng. Trong thực tế, để đơn giản cho việc tính toán, người ta thường dïng đặc tính khi dẫn dòng, tuyến tính hoá điôt như được biểu diễn trên hình 1.4b. Đặc tính này có thể biểu diễn qua công thức: DDDD IrUu .0.

Trong đó: D

D IU

r

là điện trở tương đương của điôt khi dẫn dòng.

Đặc tính vôn-ampe của các điôt thực tế sẽ khác nhau, phụ thược vào dòng điện cho phép chạy qua điôt và điện áp ngược lớn nhất mà điôt có thể chịu được. Tuy nhiên để phân tích sơ đồ các bộ biến đổi thì một đặc tính lý tưởng cho trên hình 1.4c được sử dụng nhiều hơn cả. Theo đặc tính lý tưởng, điôt có thể cho một dòng điện bất kỳ chạy qua với sụt áp trên nó bằng 0. Nghĩa là, theo đặc tính lý tưởng, điôt có điện trở tương đương khi dẫn bằng 0 và khi khoá bằng .

max.ngU

0.DU 0.DU

Di

0.DU

Di

Hình 1.4. Đặc tính vôn-ampe của điôt:

a) Đặc tính thực tế; b) Đặc tính tuyến tính; c) Đặc tính lý tưởng cảm. 3. Transistor - BJT (Bipolar Junction Tranzitor)

7

3.1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của BJT Tranzito là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm 3 lớp bán dẫn p-n-p (bóng thuận) hoặc n-p-n (bóng ngược), tạo nên hai tiếp giáp p-n. Cấu trúc này thường được gọi là Bipolar Junction Tranzitor (BJT) vì dòng điện chạy trong cấu trúc này bao gồm cả hai loại điện tích âm và dương.

-n

)a )b

Hình 1.5. a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu

Tranzito có ba cực: Bazơ (B), colectơ (C) và emitơ (E). BJT công suất thường là loại bóng ngược. Cấu trúc tiêu biểu và ký hiệu trên sơ đồ của một BJT công suất được biểu diễn trên hình 1.11, trong đó lớp bán dẫn n xác định điện áp đánh thủng của tiếp giáp B-C và do đó của C-E.

Trong chế độ tuyến tÝnh hay còn gọi là chế độ khuếch đại, tranzito là phần tử khuếch đại dòng điện với dòng colectơ IC bằng lần dòng bazơ (dòng điều khiển), trong đó được gọi là hệ số khuếch đại dòng điện. IC = .IB Tuy nhiên, trong điện tử công suất, tranzito chỉ được sử dụng như một phần tử khoá. Khi mở dòng điều khiển phải thoả mãn điều kiện:

C

BI

I hay

CbhB

IkI

Trong đó: kbh = 1,2 1,5 gọi là hệ số bão hoà. Khi đó tranzito sẽ ở trong chế độ bão hoà với điện áp giữa colectơ và emitơ rất nhỏ, cỡ 1 – 1,5 V, gọi là điện áp bão hoà, UCE.bh. Khi khoá, dòng điều khiển IB bằng không, lúc đó dòng colectơ gần bằng không, điện áp UCE sẽ lớn đến giá trị điện áp nguồn cung cấp cho mạch tải nối tiếp với tranzito. Tổn hao công suất trên tranzito bằng tích dòng điện colectơ với điện áp rơi trên colectơ-emitơ, sẽ có giá trị rất nhỏ trong chế độ khoá. Trong cấu trúc bán dẫn của BJT ở chế độ khoá, cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều bị phân cực ngược. Điện áp đặt giữa colectơ-emitơ sẽ rơi chủ yếu trên vùng trở kháng cao của tiếp giáp p-n-. Độ dày và mật độ điện tích của lớp n- xác định khả năng chịu điện áp của cấu trúc BJT. Tranzito ở chế độ tuyến tính nếu

8

tiếp giáp B-E phân cực thuận và tiếp giáp B-C phân cực ngược. Trong chế độ tuyến tính, số điện tích dương đưa vào cực Bazơ sẽ kích thích các điện tử từ tiếp giáp B-C thâm nhập vào vùng bazơ, tại đây chúng được trung hoà hết, kết quả là tốc độ trung hoà quyết định dòng colectơ tỷ lệ với dòng bazơ, IC = .IB. Tranzito ở trong chế độ bão hoà nếu cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực thuận. Các điện tử sẽ thâm nhập vào đầy vùng bazơ, vùng p, từ cả hai tiếp giáp B-E và B-C, và nếu các điện tích dương được đưa vào cực bazơ có số lượng dư thừa thì các điện tích sẽ không bị trung hoà hết, kết quả là vùng bazơ có điện trở nhỏ, dòng điện có thể chạy qua. Cũng do tốc độ trung hoà điện tích không kịp nên tranzito không còn khả năng khống chế dòng điện được nữa và giá trị dòng điện sẽ hoàn toàn do mạch ngoài quyết định. Đó là chế độ mở bão hoà. 3.2. Đặc tính đóng cắt của transistor

nU+

tRBCC

BEC

C

E

BBR)t(uB

1BU

2BU

)t(iC

)t(iB

)a

)t(uB

1BU

2BU

)t(uBE

2BU

V7,0

)t(iB )t(i 1B

)t(i 2B)t(uCE

nU+

bh.CI)t(iC

)b Hình 1.6. Quá trình đóng cắt BJT: a) Sơ đồ ; b) Dạng dòng điện, điện áp

Chế độ đóng cắt của tranzito phụ thuộc chủ yếu vào các tụ ký sinh giữa các tiếp giáp B-E và B-C, CBE và CBC. Ta phân tích quá trình đóng cắt của một tranzito qua sơ đồ khoá trên hình 1.12a, trong đó tranzito đóng cắt một tải thuần trở Rt dưới điện áp +Un điều khiển bởi tín hiệu điện áp từ -UB2 đến +UB1 và ngược lại. Dạng sóng dòng điện, điện áp cho trên hình 1.12b.

a. Quá trình mở

9

Theo đồ thị hình 1.12, trong khoảng thời gian (1) BJT đang trong chế độ khoá với điện áp ngược –UB2 đặt lên tiếp giáp B-E. Quá trình mở BJT bắt đầu từ khi tín hiệu điều khiển nhảy từ -UB2 lên mức UB1. Trong khoảng (2), tụ đầu vào, giá trị tương đương bằng Cin = CBE + CBC, nạp điện từ điện áp -UB2 đến UB1. Khi UBE còn nhỏ hơn không , chưa có hiện tượng gì xảy ra đối với IC và UCE. Tụ Cin chỉ nạp đến giá trị ngưỡng mở U* của tiếp giáp B-E, cỡ 0,6 – 0,7V, bằng điện áp rơi trên điôt theo chiều thuận, thì quá trình nạp kết thúc. Dòng điện và điện áp trên BJT chỉ bắt đầu thay đổi khi UBE vượt quá giá trị không ở đầu giai đoạn (3). Khoảng thời gian (2) gọi là thời gian trễ khi mở, td(on) của BJT. Trong khoảng (3), các điện tử xuất phát từ emitơ thâm nhập vào vùng bazơ, vượt qua tiếp giáp B-C làm xuất hiện dòng colêctơ. Các điện tử thoát ra khỏi colêctơ càng làm tăng thêm các điện tử đến từ emitơ. Quá trình tăng dòng IC, IE tiếp tục xảy ra cho đến khi trong bazơ đã tích luỹ đủ lượng điện tích dư thừa ∆QB mà tốc độ tự trung hoà của chúng đảm bảo một dòng bazơ không đổi:

B

*1B

1B R

U-UI

Tại điểm cộng fòng điện tại bazơ trên sơ đồ hình 1.12a, ta có:

BBC.CBE.C1B iiiI Trong đó:

iC.BE là dòng nạp của tụ CBE, iC.BC là dòng nạp của tụ CBC, iB là dòng đầu vào của tranzito, iC = β.iB.

Dòng colectơ tăng dần thưo quy luật hàm mũ, đến giá trị cuối cùng là IC(∞) = β.IB1. Tuy nhiên chỉ đến cuối giai đoạn (3) thì dòng IC đã đạt đến giá trị bão hoà, IC.bh, BJT ra khỏi chế độ tuyến tính và điều kiện iC = β.iB không còn tác dụng nữa. Trong chế độ bão hoà cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực thuận. V× khi làm việc với tải trở trên colectơ nên điện áp trên colectơ – emitơ UCE cũng giảm theo cùng tốc độ với sự tăng của dòng IC. Khoảng thời gian (3) phụ thuộc vào độ lớn của dòng IB1, dòng này càng lớn thì thời gian này càng ngắn. Trong khoảng (4), điện áp UCE tiếp tục giảm đến giá trị điện áp bão hoà cuối cùng, xác định bởi biểu thức: UCE.bh = Un – IC.bh.Rt

10

Thời gian (4) phụ thuộc quá trình suy giảm điện trở của vùng n- và phụ thuộc cấu tạo của BJT. Trong giai đoạn (5), BJT hoàn toàn làm việc trong chế độ bão hoà.

b. Quá trình khoá BJT Trong thời gian BJT ở trong chế độ bão hào, điện tích tích tụ không chỉ trong lớp bazơ mà cả trong lớp colectơ. Tuy nhiên những biến đổi bên ngoài hầu như không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của khoá. Khi điện áp điều khiển thay đổi từ UB1 xuống –UB2 ở đầu giai đoạn (6), điện tích tích luỹ trong lớp bán dẫn không thể thay đổi ngay lập tức được. Dòng IB ngay lập tức sẽ có giá trị:

B

*2B

2B R

UUI

Lúc đầu các điện tích được di chuyển ra ngoài bằng dòng không đổi IB2. Giai đoạn di chuyển kết thúc ở cuối giai đoạn (6) khi mật độ điện tích trong tiếp giáp bazơ – colectơ giảm về bằng không và tiếp theo tiếp giáp này bắt đầu bị phân cực ngược. Khoảng thời gian (6) gọi là thời gian trễ khi khoá, td(off). Trong khoảng (7), dòng colectơ IC bắt đầu giảm về không, điện pá UCE sẽ tăng dần tới giá trị +Un. Trong khoảng này BJT làm việc trong chế độ tuyến tính, trong đó dòng IC tỷ lệ với dòng bazơ. Tụ CBC bắt đầu nạp tới giá trị điện áp ngược, bằng –Un. Lưu ý rằng trong giai đoạn này, tại điểm cộng dòng điện tại bazơ trên sơ đồ hình 1.6a, ta có: IB2 = iC.BC - iB trong đó iC.BC là dòng nạp của tụ CBC; iB là đòng đầu vào của tranzito. Từ đó có thể thấy quy luật iC = β.iB vẫn được thực hiện. Tiếp giáp B-E vẫn được phân cực thuận, tiếp giáp B-C bị phân cực ngược. Đến cuối khoảng (7) tranzito mới khoá lại hoàn toàn. Trong khoảng (8), tụ bazơ – emitơ tiếp tục nạp tới điện áp ngược –UB2. Tranzito ở chế độ khoá hoàn toàn trong khoảng (9). 4. Thysistor SCR, Diac, Triac 4.1. Tiristo là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp p-n: J1, J2, J3. Tiristo có ba cực: anôt A, catôt K, cực điều khiển G như được biểu diễn trên hình 1.10.

11

1J

2J3J

1Q

2Q+n

Hình 1.10. Tiristo: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu

Đặc tính vôn-ampe của tiristo: Đặc tính vôn-ampe của tiristo gồm hai phần (hình 1.11). Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp UAK > 0; phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp UAK < 0. 1. Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (IG = 0) Khi dòng vào cực điều khiển của tiristo bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển tiristo sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anôt-catôt. Khi điện áp UAK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của tiristo, hai tiếp giáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận, như vậy tiristo sẽ giống như hai điôt mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua tiristo chỉ có một dòng điện nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Khi UAK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất Ung.max sẽ xảy ra hiện tượng tiristo bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn. Giống như ở đoạn đặc tính ngược của điôt, quá trình bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược, nghĩa là nếu có giảm điện áp UAK xuống dưới mức Ung.max thì dòng điện cũng không giảm được về mức dòng rò. Tiristo đã bị hỏng.

Khi tăng điện áp anôt-catôt theo chiều thuận, UAK > 0, lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương đương mạch anôt-catôt vẫn có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược. Cho đến khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth.max, sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương của mạch anôt-catôt đột ngột giảm, dòng điện chạy qua tiristo sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài. Nếu khi đó dòng qua tiristo lớn hơn mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì Idt, thì khi đó tiristo sẽ dẫn dòng trên đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở điôt. Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính dẫn dòng có thể có giá trị lớn nhưng điện áp rơi trên anôt-catôt nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện.

12

max.ngU

th.vU max.thU

Vi

dti1GI2GI3GI

Hình 1.11. Đặc tính vôn-ampe của tiristo 2. Trường hợp có dòng vào cực điều khiển (IG > 0) Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và catôt, quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uth.max. Được mô tả trên hình 1.6 bằng những đường nét đứt, ứng với giá trị dòng điều khiển khác nhau, IG1, IG2, IG3,… Nói chung, nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn. Quá trình xảy ra trên đường đặc tính ngược sẽ không có gì khác so với trường hợp dòng điều khiển bằng 0. 4.2 Triac

Triac là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm năm lớp, tạo nên cấu trúc p-n-p-n thể hiện trên hình 1.8a. Triac có ký hiện trên sơ đồ như hình 1.8b, có thể dẫn dòng theo cả hai chiều T1 và T2. Về nguyên tắc, triac hoàn toàn có thể coi tương đương với hai tiristo đấu song song ngược như trên hình 1.13c.

)c

2T

1T

G

)b

2T

1T

G

p

p

n

n n

n

)a Hình 1.13. Triac:

13

a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu; c) Sơ đồ tương đương với hia tiristo song song ngược

Đặc tính vôn-ampe của triac bao gồm hai đoạn đặc tính ở góc phần tư thứ I và thứ III, mỗi đoạn đều giống như đặc tính thuận của một tiristo như được biểu diễn trên hình 1.14a. Triac đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp xoay chiều hoặc các công tắc tơ tĩnh ở dải công suất vừa và nhỏ.

2T

1TG

R

)b

i A

dtI

vI

1GI2GI3GI

u

max.thuth.vu0

)a Hình 1.14. a) Đặc tính vôn-ampe; b) Điều khiển triac bằng dòng điều khiển âm

5. Thysistor khóa được bằng cực điều khiển – GTO (Gate Turn-off Thyistor)

Tiristo thường, được sử dụng rộng rãi trong các sơ đồ chỉnh lưu, từ công suất nhỏ vài kW đến công suất cực lớn, vài trăm MW. Đó là vì trong các sơ đồ chỉnh lưu, tiristo có thể khoá lại một cách tự nhiên dưới tác dụng của điện áp lưới, điện áp chỉnh lưu có thể điều chỉnh bằng cách chủ động thay đổi thời điểm mở của các tiristo. Tuy nhiên với các ứng dụng trong các bộ biến đổi xung áp một chiều hoặc các bộ nghịch lưu, trong đó các van bán dẫn luôn bị đặt dưới điện áp một chiều thì điều kiện để khoá tự nhiên sẽ không còn nữa. Khi đó việc dùng các tiristo thường sẽ cần đến các mạch chuyển mạch cưỡng bức rất phức tạp, gây tổn hao lớn về công suất, giảm hiệu suất của các bộ biến đổi. Các GTO như tên gọi của nó, nghĩa là khoá lại được bằng cực điều khiÓn, có khả năng về đóng cắt các dòng điện rất lớn, chịu được điện áp cao giống như tiristo, là một van điều khiển hoàn toàn, có thể chủ động cả thời điểm khoá dưới tác động của tín hiệu điều khiển. Việc ứng dụng các GTO đã phát huy ưu điểm cơ bản của các phần tử bán dẫn, đó là khả năng đóng cắt dòng điện lớn nhưng lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ.

14

Cấu trúc bán dẫn của GTO phức tạp hơn so với tiristo (hình 1.15). Ký hiệu của GTO cũng chỉ ra tính chất điều khiển hoàn toàn của nó. Đó là dòng điện đi vào cực điều khiển để mở GTO, còn dòng điện đi ra khỏi cực điều khiển dùng để di chuyển các điện tích ra khỏi cấu trúc bán dẫn của nó, nghĩa là để khoá GTO lại.

A

K

G

+p +p +p +p+n +n +n

+n +n +n

1J

2J

3J

n

p

)a

A

G

K

)b Hình 1.15. GTO: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu

Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp p, anôt được bổ sung các lớp n+. Dấu (+) ở bên cạnh chỉ ra rằng mật độ các điện tích tương ứng, các lỗ hoặc điện tử, được làm giàu thêm với mục đích làm giảm điện trở khi dẫn của các vùng này. Cực điều khiển vẫn được nối vào lớp p thứ ba nhưng được chia nhỏ ra và phân bố đề so với lớp n+ của catôt. Khi chưa có dòng điều khiển, nếu anôt có điện áp dương hơn so với catôt thì toàn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J2 ở giữa, giống như trong cấu trúc của tiristo. Tuy nhiên nếu catôt có điện áp dương hơn so với anôt thì tiếp giáp p+-n ở sát anôt sẽ bị đánh thủng ngay ở điện áp rất thấp, nghĩa là GTO không thể chịu được điện áp ngược. GTO được điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển, giống như ở tiristo thường. Tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác nhau nên dòng duy trì ở GTO cao hơn ở tiristo thường. Do đó dòng điều khiển phải có biên độ lớn hơn và duy trì trong thời gian dài hơn để dòng qua GTO kịp vượt xa giá trị dòng duy trì. Giống như ở tiristo thường, sau khi GTO đã dẫn thì dòng điều khiển không còn tác dụng. Như vậy có thể mở GTO bằng các xung ngắn, với công suất không đáng kể. Để khoá GTO, một xung dòng phải được lấy ra từ cực điều khiển. Khi van đang dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứa một số lượng lớn các điện tích sinh ra do tác dụng của hiệu ứng bắn phá “vũ bão” tạo nên vùng dẫn điện, cho phép các điện tử di chuyển từ catôt, vùng n+, đến anôt, vùng p+, tạo nên dòng anôt. Bằng cách lấy đi một số lượng lớn các điện tích qua cực điều khiển, vùng dẫn điện sẽ

15

bị co hẹp và bị ép về phía vùng n+ của anôt và vùng n+ của catôt. Kết quả là dòng anôt sẽ bị giảm cho đến khi về đến không. Dòng điều khiển được duy trì một thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khoá. Bài tập thực hành Lắp và khảo sát mạch điện dùng SCR điều khiển động cơ * Mạch điện 1 * Nguyên lý làm việc:

Giả sử ở nửa chu kỳ đầu của điện áp xoay chiều dương ở a và âm ở b sẽ có dòng điện nạp cho tụ C1 (theo mạch đi từ a → M→ D→ R1→ VR → c → b). Sau thời gian nạp = c1(R1 + Vr) thì tụ được nạp đầy, lúc này xuất hiện xung điện áp đặt vào cực G của thyristor đủ để hình thành dòng điều khiển kích cho thyristor mở. Khi có dòng điện IG thì SCR mở cho dòng chính AK cấp cho động cơ làm việc (theo mạch đi từ a →M→ ASCR → KSCR → b). Từ biểu thức = c1(R1 + Vr) cho thấy khi thay đổi vị trí của VR sẽ làm thay đổi thời gian nạp của tụ tức là thay đổi thời điểm có xung kích cho SCR mở dẫn đến thay đổi điện áp cấp cho động cơ M như thế sẽ thay đổi được tốc độ cấp cho động cơ.

Mạch điện 2

L

D

R1

VR

C

R3

SCR

R4

220V

220VAC

TP5

TP4

TP3

TP2

TP1

SCR12P4M

Diac 1

VR1250k

C2224

Diac 2

D2

SCR22P4M

C1224

D1

75W/220V

R2100

R11k

R3100

16

Thực hành lắp và khảo sát mạch điện dùng Triac Mạch điện 1

a. Lần lượt bật SW về vị trí 1, 2, 3 quan sát led và giải thích kết quả. b. Đặt SW về vị trí 2 quan sát tải, xong bật về vị trí 1. Nhận xét giải thích. c. Đổi cực của nguồn Vi, lập lại câu a và b, giải thích kết quả

Mạch điện 2 * Nguyên lý làm việc + Giả sử ở nửa chu kỳ đầu A dương hơn B diode phân cực thuận kích cho triac

220V

L

R

C

VR

Diac

Triac

P

N

17

dẫn xuất hiện dòng điện cấp cho quạt (theo mạch đi từ A→T1→T2 → quạt →B). Đồng thời tụ C được nạp ( theo mạch A → R1 và R2 → R3 → C→ quạt → B). + ở nửa chu kỳ sau B dương hơn A diode phân cực nghịch nên không có dòng điện tới cực G nhưng lúc này nhờ tụ C phóng điện cấp cho cực G (theo mạch đi từ C→ Diode → G → T2 → C). Khi cực G có điện kích cho triac mở cấp điện cho quạt ( theo mạch đi từ B → quạt → Triac → A) + Quạt quay nhanh hay chậm tuỳ theo người sử dụng vặn triết áp R1 để làm thay đổi thời gian nạp cho tụ C lúc đó sẽ thay đổi được góc kích mở của Triac Bài tập 2

Bình thường đèn 6V cháy sáng nhờ nguồn điện qua mạch chỉnh lưu. Lúc này SCR ngưng dẫn do bị phân cực nghịch, accu được nạp qua D1, R1. Khi mất điện, nguồn điện accu sẽ làm thông SCR và thắp sáng đèn

Khi accu nạp chưa đầy, SCR1 dẫn, SCR2 ngưng - Khi accu đã nạp đầy, điện thế cực dương lên cao, kích SCR2 làm SCR2 dẫn, chia bớt dòng nạp bảo vệ accu. - VR dùng để chỉnh mức bảo vệ (giảm nhỏ dòng nạp) Thực hành lắp và khảo sát mạch điện dùng MOSFET

18

19

Bài 2:

BỘ CHỈNH LƯU 1. Bộ chỉnh lưu một pha 1.1. Chỉnh lưu một pha không điều khiển 1.1.1. Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ Mạch van chỉ có một van duy nhất là điôt D (hình 2.3). Ở nửa chu kỳ đầu (0) khi điện áp đặt vào mạch van u2 > 0 với cực tính dương ở trên thì điôt D dẫn. Vì với UD = 0 nên có ud u2. Ở nửa chu kỳ sau ( 2) điện áp u2 đảo dấu (cực tính trong ngoặc trên sơ đồ)nên điôt D khoá, vì thế ud = 0.

2i D

2u1u dudR

di

)a Hình 2.3a

2u

du

2

)b

SinUud ..2 2

SinRUi ..2 2 :

Trong khoảng ,2 :

i=0, ud=0 giá trị điện áp lớn nhất 2.2max UU .

22

02 45,0

.2...2.

21 U

UdSinUU d

Dòng điện trung bình qua tải:

RU

rUI d .

.2 22

- Khi tải R+L

Utb =

max

0max .sin

21 UdttU

20

Cuộn cảm sinh ra sđđ tự cảm : Ldie Ldt

(0.1)

Theo đinh luât Ôm : u2 + eL = R.i

(0.2)

Hoặc: 2 22 sin 2 sinddiL Ri u U t Udt

(0.3) Đặt : sinX L Z .cosR Z ;

2 2Z R X

Giải phương trình vi phân ta có:

22 2

2 sin sin .RX

dUi e

R X

(0.4)

Khi = , dòng i = 0 , Diode D bị khoá lại: Từ đó có quan hệ:

sin sin . tge

(0.5)

- Gọi là góc tắt dòng Khi cho biết có thể xác định gần đúng

Từ hình vẽ ta thấy 0 < < 1 dòng i tăng từ từ do cuộn cảm L sinh ra sđđ tự cảm có chiều ngược lại với u2, cuộn cảm L tích luỹ năng lượng.

Trong khoảng 1 < < 2 dòng i suy giảm, sđđ tự cảm eL tác động cùng chiều với u2 , cuộn cảm L hoàn năng lượng. Vì vậy Diode D tiếp tục mở cho dòng chảy qua trong khoảng < < 2 khi mà u2 < 0 .

Hình 1.2. Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dòng điện, điện áp tải R, L

u2

0

2

ud id

0 1

2

id ud L

R

D

u2

id

ud

21

Tại điểm 1 0diLdt

dòng i có giá trị cực đại : ia = Im

Năng lượng tích luỹ bằng năng lượng hoàn lại lưới : 2m

L I2

Trong thực tế với mạch tải R + L người ta thường dùng một Diode hoàn năng lượng đấu song song ngược với tải, để bảo vệ Diode và duy trì dòng tải trong nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn.

Khi điện thế tại B lớn hơn điểm C 0,7V, Diode Dr mở cho dòng id qua, id = i. Diode Dr làm ngắn mạch tải ud = 0.

Diode chỉ cho dòng qua trong khoảng 0 < < , trong khoảng < < 2

dòng tải id do cuộn dây cung cấp, nếu eL đủ lớn thì có thể duy trì dòng id trong toàn kỳ.

Kết luận: Dòng điện tải chậm pha sau u2 một góc với ;L Xtg tg

R R

Khi có DR điện áp chỉnh lưu Ud mất đoạn mang giá trị âm. Trong một chu kỳ cuộn L tích lũy được bao nhiêu năng lượng thì nó hoàn bấy nhiêu năng lượng.

Hình 1.3. Đồ thị dạng sóng dòng điện, điện áp tải R, L

u

0

id ud

i

Hình 1.4. Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dòng điện, điện áp tải R,L khi có Dr

ud id

0

2

ud id

+

_ DrR

D1

L

R

D

u2 ud

a

b

C

Dr

id

eL

B

22

Tải là R + E Diode chỉ cho dòng chảy qua khi u2 > E dòng i chỉ tồn tại trong khoảng

1 2

2 22 sinu U E với 1 2, là nghiệm của phương trình Dòng tải sẽ là:

22 sind

U EiR

Khi Diode D cho dòng đi qua thì có thể coi như uD = 0; Khi Diode bị khóa

lại ta có phương trình: u2 = E + uD ;(Rid = 0) vì vậy điện áp ngược đặt lên Diode là uD = u2 - E

Và điện áp ngược trên Diode : UDmax = 22U E Giá trị trung bình của dòng chảy qua Diode và qua tải :

2

1

2 2 2 11 1 1

2 sin 2 2 cos1 2cos sin sin2 2d

U E U UI dR R R T

(0.6)

Với: 2 1 1

11

22

2 cos sindd

TUIR T

(0.7) Để xác định góc 1 ta áp dụng công thức : 2 1 1

2

2 sin ; arcsin2EU EU

Dòng điện hiệu dụng qua Diode và tải :

2

22 .

2U EI IR T

Hình 1.5. Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dòng điện, điện áp tải R, E

0 2

E

ud

id

1 2

2 u2+E

ud

0

ud u2

+E

R

D

23

Bài tập ví du 1: Cho sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ như hình vẽ1 dòng điện tải, id, cũng là dòng chảy trong Diode, iD, có dạng trình bày như hình 1b. Khi Diode dẫn dòng, điện áp rơi trong bản thân nó được mô tả bằng biểu thức: uD =0,85 + 0,9.10-3. iD Hãy tính trị trung bình của công suất tổn thất, PD , trong Diode khi trị trung bình của dòng tải là Id =200A.

Bài tập ví dụ 2: Cho sơ đồ chỉnh lưu Diode 1 pha, nữa chu kỳ, trình bày trên hình (2a). Trị hiệu dụng của điện áp nguồn bằng 240V, tần số f =50Hz. Mạch tải gồm điện cảm L =0,1H nối tiếp với điện trở R=10 .

a. Xác định dạng sóng dòng điện tải id. b. Tính trị trung bình của điện áp tải Ud và của dòng điện tải Id.

1.2. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có điểm giữa (chỉnh lưu hình tia hai pha) Tải là R

2'u

2''u

)a

Hình 2.4

2'u 2''u

du

2

)b

t

u ~

iD uD

id id, iD

0

Id

IDm

a) b) Hình 1

24

Biến áp có điểm giữa biến điệp áp sơ cấp u1 thành hai điện áp ngược pha nhau 1800 ở thứ cấp '

2u và ''2u .

Ở mạch van này các điôt D1, D2 đấu theo kiểu catôt chung, vì vậy chúng dsẽ làm việc theo luật dẫn 1 trong đó anôt của điôt D1 nối với '

2u , còn anôt của

D2 nối với điện áp ''2u . Vì vậy trong khoảng từ (0), điôt D1 dẫn do '

2u > ''2u ;

còn trong khoảng ( 2) thì D2 dẫn do ''2u > '

2u . Do vậy điện áp chỉnh lưu ud sẽ

có dạng ở hình 2.4b với: ud = '2u ở 0

ud = ''2u ở 2

Điện áp chỉnh lưu nhận được trên tải là: - Gi¸ trÞ trung b×nh cña ®iÖn ¸p chØnh l­u:

022

02 .2.2...21.

21 UdSinUduU D (2.8)

- Gi¸ trÞ trung b×nh cña dßng t¶i:

2..22 Urr

UI

- Gi¸ trÞ trung b×nh cña dßng ch¶y qua ®i«t:

0

2

2..

.221 DI

dSinrU

Id

Để xét điện áp ngược trên van, ta giả sử D1 dẫn, D2 khoá (giai đoạn 0 ). Lúc này ta thấy D2 được đấu song song với hai cuộn thứ cấp nối tiếp nhau, vì vậy: nên điện áp ngược cực đại trên điôt D2 là Mạch chỉnh lưu này được sử dùng nhiều trong dải công suất nhỏ đến vài kW, nó thích hợp với chỉnh lưu điện áp thâpt vì sụt áp trên đường ra tải chỉ có một vàn. Nhược điểm của mạch là buộc phải có biến áp đổi số pha. Hơn nữa một số thông số khác cũng không tốt.

Tải là R + L

Ungmax = 2U22

Utb =

max2U

Hình 2.8. Sơ đồ và đồ thị dạng sóng dòng điện, điện áp tải R, L

u

id ud

i

0

L

D2

D1

R0 u1

ub0

ua0

b

a

ib

ia

id c

25

Cuộn cảm L tích luỹ năng lượng khi dòng id tăng và hoàn năng lượng khi

dòng id giảm. Ta có phương trình mạch điện là phương trình vi phân và giải phương trình

này để tìm Id

2 2

20 2 2

2 sin 2 sin

2 sin sin .

dd d

R RX X

d

diu L Ri U t Udt

Ui I e eR X

Đối với ½ chu kỳ đầu tiên 0 , oI = 0 X L

XtgR

Nhận xét : Tại bất kỳ thời điểm nào luôn luôn có điện thế tại điểm a hoặc b lớn hơn điện thế của điểm c vì vậy không thể sử dụng Diode hoàn năng lượng vì nó không bao giờ được phân cực thuận và dẫn.

Nếu cuộn cảm có hệ số tự cảm L rất lớn (L = ) thì dòng tải coi như được nắn thẳng hoàn toàn và dòng qua các Diode có dạng xung chữ nhật với biên độ bằng dòng Id. Điều này dẫn đến sai số trong tính toán khoảng 15 – 20% so với thực tế nhưng các kết quả tính toán là hoàn toàn có thể chấp nhận được. Điện áp chỉnh lưu vẫn có dạng giống như tải thuần trở, do đó giá trị trung bình bằng :

22

2 20

22 21 2 2 sin 0,92

md

UUU U d U

(2.9)

Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp bằng :

22

0

12 2

dd

II I d

(2.10)

Dòng hiệu dụng sơ cấp máy biến áp bằng :

22

10

12

d d

ba ba

I II dK K

(2.11)

Công suất tính toán máy biến áp bằng : 1 2

2S SS

S2 = 2U2I2 = 1.57Pd S1 = U1I1 = 1.11Pd S = 1.34Pd (2.12)

Tính hệ số công suất MBA (coi hiệu suất sơ đồ chỉnh lưu bằng 1) : Ta có P1 = U1I1cos1 = Pd; P2 = U2I2cos2 = Pd

1 21 2

cos ;cosd dP PS S

1 2cos coscos2

dMBA

PS

(2.13)

26

Có thể thấy rằng trong trường hợp tải trở cảm công suất tính toán máy biến áp yêu cầu nhỏ hơn so với trường hợp tải thuần trở. 1.3.Chỉnh lưu cầu một pha

Tải thuần R Mạch chỉnh lưu gồm 4 van D1 D4 đấu thành hai nhóm (hình 2.5a): D1D3

đấu catôt chung, D2D4 đấu anôt chung. Nguồn xoay chiều dưa vào mạch van có thể lấy trực tiếp từ lưới hoặc thông qua biến áp. Trong nửa chu kỳ đầu: 0, điện áp u2 > 0 với cực tính trong ngoặc trên sơ đồ. Ta thấy với nhóm catôt chung D1D3 thì anôt D1 dương hơn anôt D3 vì vậy D1 sẽ dẫn. Còn ở nhóm anôt chung D2D4 thì catôt D2 âm hơn catôt D4 vì vậy D2 dẫn. Như vậy nửa chu kỳ đầu D1D2 dẫn. Trong nửa chu kỳ sau điện áp u2 < 0 với cực tính đảo lại (trong dấu ngoặc), lý luận tương tự ta thấy điôt D3D4 dẫn.

Đối với điện áp ra tải, ta luôn thấy điểm a trong cả hai nửa chu kỳ đều được nối với cực tính dương (+) của nguồn u2, và điểm b luôn được nối với cực tính âm (-) của u2. Vì vậy điện áp ra tải ud giống của chỉnh lưu hình tia hai pha, do đó ta cũng có:

2

dÉnD,D 21 dÉnD,D 43

¸khoD,D 43 ¸khoD,D 21

Hình 2.5

222 2

0

22 21 2 2 sin 0,92

md

UUU U d U

Với tải thuần trở dạng sóng dòng điện và áp như nhau vì vậy ta có : Giá trị trung bình của dòng tải :

.

222 2d dm

d

U IUR RI

(0.8)

Giá trị trung bình của dòng chảy qua Diode :

2d

DII

Dòng i2 có dạng hình sin, do đó giá trị hiệu dụng của nó bằng :

id ud

0

2

id

ud

27

22 1.11

2 2 2m

d dII I I

(0.9)

Tương tự i1 cũng có dạng sin, vì vậy : 2

1 1.11 d

ba ba

IIIK K

(0.10)

Công suất máy biến áp : Vì dòng sơ cấp và thứ cấp đều có dạng sin nên : S1 = S2 S = U2.I2 1,23 Pd

Tải R + E Trong trường hợp này các công thức tính dòng Id, ID tương tự như trong

mạch chỉnh lưu tia 2 pha nhưng giá trị hiệu dụng của dòng thứ cấp biến áp và điện áp ngược trên diode được tính theo công thức sau :

2

1

2 22 1

21 U EI i dR T

(0.11)

max 22DU U

ƯD: Chỉnh lưu cầu một pha được sử dụng khá rộng rãi trong thực tế, nhất là với điện áp trên 10V, dòng tải có thể đến một trăm ampe. Ưu điểm của mạch là có thể không cần biến áp. Nhược điểm của nó là có hai điôt tham gia dẫn dòng: điôt nhóm lẻ dẫn dòng ra tải, nhóm điôt chẵn dẫn dòng từ tải về nguồn. Như vậy sẽ có sụt áp do hai điôt gây ra, chính lý do này làm cho mạch cầu không thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp dưới 10V khi dòng tải lớn. Bài tập ví dụ 3: Cho mạch chỉnh lưu cầu có tải R + E biết 2 2.220sinu t , f = 50Hz,

E = 110V, R = 2

a. Tính thời gian mở cho dòng chảy qua của mỗi Diode trong mỗi nửa chu kỳ:1 b. Tính giá trị trung bình của dòng điện tải id. c. Tính giá trị hiệu dụng của dòng điện tải. d. Chọn Diode (Umax, ID) cho hệ các số Ku = 1,6, K I = 1,2

Hình .Sơ đồ và dạng sóng điện áp tải R+ E

u1 u2 E

R

ud

E

0 1

2 2

28

Bài tập ví dụ 4: Cho sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha như hình vẽ có U = 71V, E = 48V, R = 0,8 , f = 50Hz.

Điện áp tải 2. 2. 2(1 cos 2 )3d

Uu t

a. Tính trị trung bình của dòng tải Id. b. Vẽ các đường cong iD1, iD2, iD3, iD4, và i. c. Tính trị hiệu dụng I.

Bài ví d Người ta dùng thiết bị chỉnh lưu cầu 1 pha để nạp điện cho ắc quy, có sức điện

động E = 120V, dòng nạp Id = 40A. Trị hiệu dụng của điện áp nguồn là 220V, tần số 50Hz.

a. Tính t1- thời điểm thiết bị chỉnh lưu bắt đầu cung cấp dòng nạp cho ắcquy trong từng nửa chu kỳ.

- thời gian dẫn dòng của mỗi Diode trong 1 chu kỳ. b. R phải bằng bao nhiêu để đảm bảo dòng nạp yêu cầu. c. Tính trị hiệu dụng của dòng tải. d. Tính hiệu suất của thiết bị.

1.2. Chỉnh lưu một pha có điều khiển Khái niệm về góc điều khiển :

Mạch chỉnh lưu dùng van là điôt tuy đơn giản nhưng chỉ cấp ra tải một điện áp xác định Ud = ksđU2, chỉ phụ thuộc vào mạch van và điện áp nguồn U2, không cho phép thay đổi hoặc giữ ổn định theo yêu cầu công nghệ của tải. Điều này do điôt luôn tự dẫn dưới tác động của chính điện áp nguồn xoay chiều gọi là mở tự nhiên. Nếu thay điôt bằng tiristo sẽ điều khiển được điểm dẫn của van theo ý muốn, vì để mở cần có đồng thời hai điều kiện: Thứ nhất, điện áp trên van phải dương, UAK > 0; thứ hai, có dòng điều khiển đủ mạnh tác động vào cực điều khiển của nó. Như vậy sử dụng điều kiện thứ hai ta khống chế được điểm mở tiristor theo ý muốn. Để thực hiện trong mạch điều kiện này người ta sử dụng khái niệm góc điều khiển (còn gọi là góc mở) được ký hiệu bằng . Quy ước về góc này như sau:

Hình 3. Sơ đồ và dạng sóng điện áp tải R,E

u1 u2 E

R

ud

E

0 1

2 2

29

Góc điều khiển là góc tính từ thời điểm mở tự nhiên đến thời điểm tiristo được phát xung vào cực điều khiển để mở van. Thời điểm mở tự nhiên là thời điểm mà ở đó nếu van là điôt thì nó bắt đầu dẫn. Việc tính toán góc để mở van trong mạch chỉnh lưu tiristor theo yêu cầu công nghệ do khối điều khiển đảm nhiệm và được đề cập chi tiết ở chương 5. Tại chương này chỉ xem xét ảnh hưởng của góc điều khiển đến tham số Ud của chỉnh lưu. 1.2.1. Chỉnh lưu nửa chu kỳ a, Tải thuần trở R

Để so sánh chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu điều khiển, trên sơ đồ hình 2.8 dựng các đồ thị ud ở hai trường hợp này. Hình 2.8b là điện áp chỉnh lưu nhận được khi dùng điôt. Hình 2.8c là chỉnh lưu có điều khiển. Trong sơ đồ này ở giai đoạn (0 ) mặc dù điện áp trên tiristo T đã dương, song phải đến thời điểm thì tiristo mới nhận được tín hiệu điều khiển IG từ khâu phát xung (FX). Do đó:

Trong giai đoạn (0 ) tiristo khoá: ud = 0. Trong giai đoạn ( ) tiristo khoá: ud = u2(). Trong giai đoạn ( 0) tiristo khoá: ud = 0.

u1 u2 ud

id

IG

T

FX

Rd

Hình 2.8

Như vậy điện áp ud bây giờ không còn là toàn bộ nửa hình sin dương của điện áp nguồn xoay chiều u2, mà chỉ là một phần của nó với độ lớn tuỳ thuộc góc . Ta có:

2

)cos1(U

2dsinU2

2

1d)(U

2

1U 22

2

02d

(2.14)

Khi điều khiển với = 0 có giá trị Ud0:

220d U45,0U2

U

30

Đây chính là biểu thức (2.6) tương ứng với chỉnh lưu không điều khiển dùng điôt. Vì vậy có thể coi rằng chỉnh lưu điôt là trường hợp riêng của chỉnh lưu dùng tiristo với = 0. Biểu thức (2.14) có thể viết lại thành:

)(fU2

)cos1(UU 0d0dd

(2.15)

Biểu thức này cho thấy điện áp chỉnh lưu Ud là một hàm phụ thuộc vào góc điều khiển . Như vậy muốn điều chỉnh điện áp ra tải chỉ cần tác động vào tham số duy nhất là . Ở mạch chỉnh lưu này, bằng cách thay đổi từ 0 đến 1800 ta điều chỉnh được điện áp Ud từ giá trị lớn nhất Ud0 đến giá trị nhỏ nhất (bằng 0). Các tham số của chỉnh lưu dùng tiristo đều lấy từ chỉnh lưu dùng điôt (bảng 2.1), với lý do đơn giản là khi = 0 (tương ứng với chỉnh lưu không điều khiển) thì điện áp chỉnh lưu lớn nhất và mạch cũng mang tải nặng nhất.

1.2.2. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ Hình 2.11b là đồ thị minh hoạ chỉnh lưu điều khiển này. Lưu ý rằng trong mạch chỉnh lưu nhiều pha, góc điều khiển của các tiristo phải bằng nhau: 1 = 2 = . Sự sai lệch giữa chúng được đánh giá bằng mật độ đối xứng. Mạch điều khiển có nhiệm vụ đảm bảo độ mất đối xứng không vượt quá 10 đến 20 điện.

2'u

2''u

1udu

a)

Hình 2.11

2u 2u 2u

1GI

2GI

du

1 12 b)

Theo đồ thị ta nhận được:

2

02

2

0dd dsinU2

1d)(u

2

1U

2

cos1U

2

cos1U

220d2

(2.26)

với Ud0 = 0,9U2.

31

Với tải thuần trở, dạng dòng điện id tương tự dạng điện áp Ud, và ta thấy dòng điện sẽ có đoạn bằng 0 (id = 0) trong toàn dải điều chỉnh . Do vậy dòng điện này được gọi là dòng điện gián đoạn. 2.3. Sơ đồ cầu một pha

t

-u2 ud nét đậm u2 u

a 0

2

3= 2= 1=

3= 2= 1=

t iT1= iT2

b 0 Id

2

2= 1= 3= t e 0 2

Id 1= t iT3= iT4

c 0 2

uT1=uT2

Id/kba 1= t i1

d 0 2

iT3 iT1 T3 T1 BA R i2 i1

ud

iT4 iT2 id T4 T2

u2 u1

Hình 2.12

32

2. Bộ chỉnh lưu ba pha 2.1. Chỉnh lưu ba pha không điều khiển 2.1.1. Chỉnh lưu hình tia ba pha a, Tải thuần trở R

Điện áp 3 pha lệch nhau 120o = 2

3rad

2

2

2

2 s in22 s in342 sin3

a

b

c

u U

u U

u U

(0.12)

Theo hình 2.12 ta có: 1 2

2 3

3 4

,,,

a b c a o d a

b a c b o d b

c a b c o d c

u u u i i u uu u u i i u uu u u i i u u

Giá trị trung bình của điện áp tải được tính:

2

1

56

2 2 2 2

6

3 3 3 3 22 sin . 2 sin . 1,172 2 2dU U d U d U U

(0.13)

Hoặc có thể tính theo công thức tổng quát cho trường hợp này : 2

2 2

2

sin sin2

q

d m m

q

q qU U d Uq

Nếu thay q = 3 (Số pha), ta sẽ có :

uA

D3

D2

ua D1

R

uB

uC

Id 0

2

u

/6 5/6

Ud

ua ub uc

D1 D2 D3

0 1 2 3 4

Hình 2.12. Sơ đồ mạch và đồ thị dạng sóng điện áp tải R

ub

uc

33

2 2 2 23 3 2 3sin 2 sin 1,17

3 2d mqU U U U U

q

Công thức trên có thể áp dụng cho các sơ đồ tia (sao nhiều pha khác) Trong đó:

2 ao bo co phau u u u u Sau khoảng thời gian 1, D2 dẫn D1 khoá, điện áp ngược đặt lên Diode D1 là:

da ba b a b aU U U U U U

2 2 23 2 6 2,45Dnmu U U U Hoặc có thể áp dụng công thức tổng quát :

22 cos2Dnm mU U

q

Nếu thay q = 3 thì ta cũng sẽ được kết quả như trên. Dòng điện trung bình trên tải :

21,17dd

U UIR R

Dòng điện tức thời qua Diode : a

auiR

, bb

uiR

, cc

uiR

Dòng điện trung bình qua mỗi Diode :

3d

DII

Với tải thuần trở dạng sóng dòng điện lặp lại như sóng điện áp. Do đó ta

cũng có thể biểu diễn giá trị trung bình Id qua giá trị biên độ Idm tương tự như công thức tính điện áp :

3 32d dmI I

Gía trị hiệu dụng dòng điện thứ cấp MBA : 2 0,58

3d d

dI II Iq

Gía trị hiệu dụng dòng điện sơ cấp MBA có thể xác định từ các phương trình cân bằng sức từ động trong mạch từ. Tuy nhiên người ta tính được giá trị này bằng :

1 0,47 d

ba

IIK

Tính công suất của MBA :

1 1 1 2 1

2 2 2

1 2

3 3 3 .0, 47 1, 211,17

3 3 0,58 1, 491,17

1,352

dba d d

dd d

d

US U I K U I I P

US U I I P

S SS P

Công suất tính toán của MBA phải bằng 1,35 công suất chỉnh lưu yêu cầu Pd.

34

Hệ số công suất của MBA được tính tương tự như ở các phần trước.

1 21 2

cos ;cosd dP PS S

1 2cos coscos2

dMBA

PS

= 0,74

Tải Là R + L Trong trường hợp này dòng tải sẽ được nắn thẳng, tuy nhiên với sai số cho

phép ta có thể áp dụng các công thức tính toán các đại lượng tương tự như trường hợp tải thuần trở R.

Bài tập ví dụ 6: Thiết bị chỉnh lưu Diode ba pha hình tia, ba Diode cấp dòng cho một mạch tải gồm s.đ.đ E = 120 V, R = 5 . Trị hiệu dụngcủa điện áp pha là U = 220 V, tần số nguồn điện xoay chiều là f = 50 Hz.

a. Vẽ đường cong của dòng điện di chảy trong tải và của Di chảy trong 1 Diode. b. Tính trị trung bình của dòng di và của dòng Di .

Tính trị hiệu dụng của dòng chảy trong mỗi cuộn dây thứ cấp máy biến áp. 2.1.2. Chỉnh lưu cầu ba pha

a, Khi t i R

1 2 3 4 5 6 7

Hình 2.7

Mạch van gồm 2 nhóm, các điôt D1, D3, D5 đấu kiểu catôt chung (hình 2.7), nên hoạt động theo luật : D1 dẫn trong khoảng 1 3 khi ua dương nhất; D3 dẫn trong khoảng 3 5 khi ub dương nhất; D5 dẫn trong khoảng 5 7 khi uc dương nhất; Các điôt D2, D4, D6 đấu kiểu anôt chung, nên:

35

D2 dẫn trong khoảng 2 4 khi uc âm nhất; D4 dẫn trong khoảng 4 6 khi ua âm nhất; D6 dẫn trong khoảng 6 8 khi ub âm nhất; Đối chiếu theo đồ thị dẫn các van trên hình 2.7c ta thấy, bất kỳ ở thời điểm nào cũng có một điôt nhóm trên dẫn với một điôt nhóm dưới. Thí dụ trong khoảng 1 2 là điôt D1D6 dẫn. Lúc đó theo sơ đồ thay thế ở hình 2.7b ta thấy điện áp ra tải ud chính là điện áp dây của nguồn xoay chiều uab. Làm tương tự như vậy ta sẽ thấy rằng, trong một chu kỳ của điện áp xoay chiều, điện áp ud sẽ hình thành từ 6 đoạn điện áp của nguồn xoay chiều theo thứ tự uab – uac – ubc - uba – uca - ucb.

Điện áp trung bình nhận được trên tải là:

dUUduuU mmbatb .)120-sin(-sin26)-(

6/21

0

0

0

0

90

30

022

90

30

0000002 12030cos12090cos90cos30cos

26

mU

22 U34,2U63

(2.12)

Giá trị trung bình của dòng qua tải là:

2.63 URR

UI tb

tb

Điện áp ngược max mà mỗi điode phải chịu là:

mng UU 2max .3

Giá trị dòng chảy qua mỗi điode là:

322

0

0

90

30

DdD

IdR

UI

So sánh giá trị này với chỉnh lưu ba pha hình tia, ta thấy nó có trị số gấp 2 lần. Điều này có thể thấy trên sơ đồ 2.7a, sơ đồ cầu ba pha dường như là hai sơ đồ hình tia mắc nối tiếp nhau, nhóm điôt lẻ chỉnh lưu lấy điện áp dương, nhóm điôt chẵn chỉnh lưu lấy nốt phân điện áp âm còn lại, vì vậy tổng quát ta có hai chỉnh lưu ba pha hình tia nối tiếp nhau. Điện áp ud của các mạch chỉnh lưu có dạng gợn sóng, không phẳng, gọi là độ đập mạch. Số lần đập mạch (ký hiệu mđm) trong một chu kỳ của nguồn xoay chiều 2 phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu. Số đập mạch mđm càng cao thì dạng ud càng phẳng, tức là hệ số đập mạch k đm nhỏ hơn.

36

b, Khi tải là R+E: Để có dòng tải id là dòng liên tục, phải thoả mãn điều kiện ud > E

R

Eui dd

C

B

A

id

ud

i1

i4

D5

D6

D3

+E

u2c

u2b

u2a

D4 D2

D1

R

Hình2.8: Mạch chỉnh lưu 3 pha cầu có tải là R+E

- Nguyên lí hoạt động của mạch như sau: các dòng điện chạy ra trên các pha lệch nhau một góc 1200 nên dòng điện chạy ra điôt nắn điện cũng theo thứ tự này, khi điện áp ngõ ra tăng cao làm cho các điôt phân cực thuận dẫn điện, các điôt bị phân cực ngược sẽ không dẫn. Thời gian dẫn của các điôt sẽ lệch nhau 1200 theo sự lệch pha của dòng điện trên mạch.

- Vậy: + Dòng tải bao giờ cũng xuất phát từ điểm có điện thế cao đến nơi có điện

thế thấp nhất. + Mỗi điôt cho dòng chảy qua trong một phần ba chu kỳ (1200 hay 3/2 ) + Mỗi cuộn dây thứ cấp biến áp cho dòng chảy qua trong hai lần một phần

ba chu kỳ ( 3/4 ) 1/3 chu kỳ với điôt trên và 1/3 chu kỳ với điôt dưới. + Trị tức thời của điện áp ud bằng hiệu của trị tức thời điện áp của hai pha

đang cấp dòng cho tải. + ud gồm 6 chỏm hình sin tạo nên. + Điện áp ngược lớn nhất mỗi pha phải chịu: 22 45,2.6 UUU im + Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:

2

6/

6/

22 34,2

.63.cos.6

26 U

UdUU d

+ Dòng chảy trong điốt bằng dòng tải: ID=id + Dòng chảy trong mỗi cuộn dây thứ cấp biến áp là dòng điện xoay chiều:

252

632

412

iiiiiiiii

c

b

a

37

Giá trị trung bình của dòng tải:

6/

6/

2 .cos..6

26

REU

dR

EUI d

d

Giá trị trung bình của dòng chảy trong mỗi điode:

6/

6/

2

3.

cos..61

d

DI

dR

EUI

c, Khi tải là R+E +L: Khi dùng một điện cảm mắc nối tiếp vào mạch tải thì dòng điện tải coi như

được nắn thẳng id=Id Hình1.9

i4

i1

ud

id

A

B

C

L

D5

D6

D3+E

u2c

u2b

u2a

D4 D2

D1

R

Hình2.9: Mạch chỉnh lưu ba pha có tải là R+E+L Các đại lượng đặc trưng với điều kiện ud>E

3

;;.632

dD

ddd

II

REU

IUU

Giá trị hiệu dụng của dòng thứ cấp biến áp:

ddd IIdII 816,0.32)(

22 3/2

0

22

Bài tập ví dụ 7: Một bộ chỉnh lưu Diode cầu 3 pha được nuôi từ dòng điện xoay chiều có điện áp dây 380V, thông qua máy biến áp 3 pha nối tam giác – sao ( /Y). Giả thiết điện áp rơi trên mỗi Diode là 0,7 V và dòng điện tải được nắn thẳng Id = 60 A. Điện áp trên tải là 300 V.

a.Tính trị trung bình của dòng điện Diode ID và điện áp ngược mỗi Diode phải chịu Uim.

b. Tính máy biến áp.

2.1.3. Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển Khi làm việc, các điôt chuyển mạch tự nhiên còn các tiristo chuyển mạch tại các góc điều khiển . Khi < 600, điện áp ud luôn lớn hơn 0. Nhưng khi >

38

600 (hình 2.28b là = 900) sẽ xuất hiện các giai đoạn hai van mắc thẳng hàng dẫn đồng thời:

1 2: T3D3 dẫn; 3 4: T1D1 dẫn; 5 6: T2D2 dẫn.

Do vậy trong các đoạn này điện áp ud = 0, và dòng điện id chạy quẩn trong tải mà không chảy về nguồn nên năng lượng được giữ lại ở tải, không bị trả về nguồn. Quy luật điện áp Ud có thể suy ra từ lý luận mạch cầu tương đương hai mạch chỉnh lưu hình tia nối tiếp:

1T 2T 3TdL

dR

di

2D1D 3D

)a

Hình 2.28

du

1Ti

2Ti

3Ti

1Di

2Di

3Di

au bucu

1T 2T3T

1D2D 3D 2D

1 2 34 5 6

)b

- Chỉnh lưu hình tia ba pha điều khiển gồm T1, T2, T3 cho điện áp: cosU17,1cos.UU 2tia0dd

- Chỉnh lưu hình tia ba pha không điều khiển gồm D1, D2, D3 cho điện áp: 2tia0dd U17,1UU

Vậy tổng lại: )cos1(U17,1cos.UUU 2tia0dtia0dd Vì chỉnh lưu cầu có 2tia0d0d U34,2U2U nên quy đổi biểu thức trên sang dạng cầu ta có:

2

cos1U34,2

2

cos1UU 2cÇu0dd

(2.52)

Mạch cầu ba pha bán điều khiển có ưu điểm là điều khiển đơn giản hơn, tiết kiệm năng lượng hơn. Song cũng có nhược điểm là số đập mạch trong toàn dải điều chỉnh bằng 3: m đm = 3; chỉ ở = 0 mới có m đm = 6 như sơ đồ cầu điều khiển.

39

Tham số của mạch chỉnh lưu cơ bản xem ở bảng 2.1 Tham số Sơ đồ

Ud0 Itbv Ungmax I2 I1 Sba U m đm kđm

Một pha một nửa chu kỳ

0,45U2 Id 1,41U2 1,57Id 1,21Idkba 3,09Pd - 1 1,57

Một pha có điểm giữa

0,9U2 Id/2 2,83U2 0,58Id 1,11Idkba 1,48Pd da IX1

2 0,67

Một pha sơ đồ cầu 0,9U2 Id/2 1,41U2 1,11Id 1,11Idkba 1,23Pd da IX2

2 0,67

Ba pha hình tia 1,17U2 Id/3 2,45U2 0,58Id 0,47Idkba 1,35Pd da IX23

3 0,25

Ba pha sơ đồ cầu 2,34U2 Id/3 2,45U2 0,816Id 0,816Idkba 1,05Pd da IX3

6 0,057

Bảng 2.1. Tham số chính của các mạch chỉnh lưu cơ bản Ghi chú: Ud0 - trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu; U2 - trị số hiệu dụng của điện áp pha cuộn thứ cấp biến áp nguồn; Itbv - trị số trung bình của dòng điện qua van; Ungmax - điện áp ngược lớn nhất van phải chịu khi làm việc; I2, I1 - trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp biến áp nguồn; Id - trị số trung bình dòng điện ra tải; kba - hệ số máy biến áp nguồn; Sba – công suất tính toán máy biến áp nguồn; Pd công suất một chiều trên tải Pd = Ud0.Id; U - sụt áp do

hiện tượng trùng dẫn gây ra (khi La 0); k đm - hệ số đập mạch của điện áp chỉnh

lưu: k đm = 0d

m1

U

U , trong đó U1m là biên độ sóng hài cơ bản của điện áp chỉnh lưu

theo triển khai Fourier. 2.1.3. Chỉnh lưu m pha tổng quát Từ các mạch xét ở trên ta thấy, với một mạch chỉnh lưu tổng quá m pha, điện áp ud có dạng như hình 2.11. Nó là đường bao theo các điện áp phía nguồn xoay chiều với hệ số đập mạch là m đm, trong đó: Chỉnh lưu hình tia: m đm = mpha Chỉnh lưu cầu nếu m chẵn: m đm = mpha nếu m lẻ: m đm = 2mpha Biên độ điện áp chỉnh lưu Um cũng phụ thuộc vào sơ đồ đấu van: Chỉnh lưu hình tia: Um = U pha max = U2m

40

Chỉnh lưu cầu: nếu m chẵn: Um = 2U2m

nếu m lẻ: m2

cosU2U m2m

2.2. Chỉnh lưu ba pha có điều khiển 2.1. Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển Đồ thị điện áp ud của mạch chỉnh lưu này thể hiện trên hình 2.12b với góc điều khiển = 300. Đây là góc đặc biệt.

+ Nếu 300, điện áp ud sẽ có đoạn bằng 0, vì vậy khi tải thuần trở, dòng điện id sẽ gián đoạn, tức là có những đoạn id = 0, và dòng điện qua van luôn kết thúc khi điện áp pha về 0. Đồ thị ud có dạng hình 2.13a, theo đó có:

)30cos(1U2

23dsinU2

2

3d)(u

2

1U 0

20

2

2

0dd

3

)30cos(1U

3

)30cos(1U

2

63 0

0d

0

2

(2.27)

dubu

cu

au

dR

a)

Hình 2.12

2u

1GI

2GI

3GI

du

au bu cu

b)

+ Nếu 300, dạng điện áp ud ở hình 2.13b. Ta thấy điện áp ud luôn lớn hơn 0. Như vậy tải thuần trở, dòng điện id sẽ luôn tồn tại và chảy liên tục qua tải, vì vậy dạng dòng điện này gọi là dòng điện liên tục. Ở đây quy luật điện áp ud khác đi, không tuân theo biểu thức (2.27) vừa có. Với lưu ý rằng ba van sẽ thay nhau dẫn trong một chu kỳ, nên mỗi van dẫn một khoảng 23, do đó:

cosUcosU

2

63dsinU2

2

3U 0d2

12030

302d

00

0

(2.28)

41

Như vậy, với mạch chỉnh lưu ba pha hỉnh tia, quy luật điện áp Ud phụ thuộc vào chế độ dòng: nếu dòng gián đoạn theo quy luật (2.27); nếu dòng liên tục lại theo (2.28).

aubu

cu

du

030>)a

au bucu

du

030<)b

t

t

t

t

t

t

t

iT1=ia 0

2

4 3 2 1

2

b

uT1

uac uab

0 2

4 3 2 1 i

iT3=ic 0

4 3 2 1 d

2 iA

0 2

4 3 2Id/(3kba) 1 e

Id/(3kba)

iB 0

2 4 3 2 1

iC

0 2

4 3 2 1

g

h

iT2=ib 0

4 3 2 1 Id c

t

u

0 2

ud uc ub ud nét đậm

ua

4 3 2 1 a

42

2.2. Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển 2.4. Chỉnh lưu điều khiển sơ đồ cầu: a. Sơ đồ cầu 1 pha Dạng điện áp nhận được trên tải sẽ hoàn toàn tương tự cho trường hợp mạch chỉnh lưu hai pha hình tia, vì vậy quy luật điều chỉnh điện áp ud tuân theo biểu thức:

2

cos1UU 0dd

với Ud0 = 0,9U2. b. Sơ đồ cầu ba pha Để cấp điện cho tải phải đảm bảo có hai van dẫn: một của nhóm lẻ, một của nhóm chẵn. Như vậy khi phát xung mở van cho mạch hoạt động cũng phải đồng thời cho hai tiristo cần dẫn. Trên đồ thị ở hình 2.15 thể hiện điều này ở chỗ mỗi tiristo được phát hai xung: .

2u

1GI

2GI

4GI

du

3GI

2

Hình 2.14

Rd ud

idabc

T1 T3 T5

T2T4 T6 Hình 2.15

xung: xung đầu tiên xác định góc , xung thứ 2 đảm bảo thông mạch tải Ở đây phải đảm bảo góc điều khiển các van phải như nhau: 1 = 2 = … =6 = . Theo đồ thị ud() ta thấy góc giới hạn giữa dòng liên tục và dòng gián đoạn bằng 600. Vậy: Nếu 600 ta sẽ có quy luật dễ nhớ là:

Ud = Ud0cos = 2,34U2cos (2.29) Nếu > 600 thì dòng điện sẽ gián đoạn. Điện áp chỉnh lưu nhận được là:

2

)60cos(1U

63dsinU32

3U

0

260

2d0

2

)60cos(1U

0

0d

(2.30)

43

Bài tập 1: Một bộ chỉnh lưu Diode cầu ba pha được nuôi từ dòng điện xoay chiều ba pha có công suất biểu kiến ngắn mạch 75 kVA và điện áp dây là 220 V. Hãy vẽ dạng đường cong điện áp tải và dòng điện nguồn khi dòng điện tải giả thiết được nắn thẳng là Id = 140 A.

Bài tập 2: Cho sơ đồ chỉnh lưu Diode cầu một pha và sơ đồ chỉnh lưu Diode cầu ba pha. Giả thiết dòng điện tải được nắn thẳng d di I và bỏ qua điện áp rơi trên các phần tử, bỏ qua hiện tượng trùng dẫn. Vẽ dạng điện áp tải và dòng điện nguồn xoay chiều của hai sơ đồ chỉnh lưu.

2

2

2

iT2

2 0 t

d

iT1 0 t

c

iT3 0 t e

Id

iT4

iT5 0 t h

0 t g

iB 0 t

2 l

iC 0 t

2 m

2 iA 0 t

Id/kba 2 k

iT6 0 t

i

2

u

0

ud uc ub ua

7 5 3 1 a

nét đậm

ud

0 6 4 2

0

t

t b

A nét đậm

44

Bài tập 3: Cho hai sơ đồ chỉnh lưu Diode, xem hình 1, một pha hai nửa chu

kỳ và cầu một pha. Trị hiệu dụng của điện áp nguồn xoay chiều là U1 = 240V. Tải là điện cảm lớn, tiêu thụ dòng điện Id = 12A = const. Điện áp trên tải là Ud = 150V. Giả thiết điện áp rơi trên mỗi Diode là 0.7V. Hãy tính toán chi tiết hai sơ đồ trên và so sánh.

Bài tập 4: Người ta dùng thiết bị chỉnh lưu cầu 1 pha để nạp điện cho ắcquy,

có sức điện động E = 220V, dòng nạp Id = 60A. Trị hiệu dụng của điện áp nguồn là 380V, tần số f = 50Hz.

a. Tính t1 tại thời điểm thiết bị chỉnh lưu bắt đầu dòng nạp cho ắcquy trong từng nửa chu kỳ.

thời gian dẫn dòng của mỗi Diode trong một chu kỳ. b. Điện trở R phải bằng bao nhiêu để đảm bảo dòng nạp yêu cầu. c. Tính trị hiệu dụng của dòng tải. d. Tính hiệu suất của thiết bị.

3. Các chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu 3.1. Chế độ dòng điện liên tục Trong chế độ chỉnh lưu hình 2.19, công suất tiêu thụ đưa từ nguồn xoay sang mạch một chiều. Giả thiết dòng điện tải được lọc phẳng, công suất do bộ chỉnh lưu cung cấp có giá trị Pd = Ud.Id, điều kiện của chế độ chỉnh lưu là 0dP ,

do dòng điện tải luôn dương, nên điều kiện trên đồng nghĩa 0dU , các bộ

chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn, điện áp chỉnh lưu không âm xảy ra với các góc

kích điều chỉnh trong phạm vi 20 . Các bộ chỉnh lưu bán điều khiển,

điều kiện để Ud > 0 xảy ra với các góc kích nằm trong phạm vi 0 . Tải tiêu thụ công suất Pd > 0 có thể là tải thuần trở hoặc dạng nối tiếp RL hoặc tải gồm RLE với E là sức điện động một chiều E > 0

id

ud

D1

D3 D4

D2

1Di

4Di

2i

1u 2u 1u

1i 21u

22u ud

id

21i

22i Hình 1

45

Trong chế độ nghịch lưu công suất phát ra từ tải sẽ trở về nguồn xoay chiều qua bộ chỉnh lưu. Vì công suất bộ chỉnh lưu nhận bằng Pd = Ud.Id, điều kiện của chế độ nghịch lưu xảy ra khi Pd 0 . Do dòng điện tải luôn dương, nên điều kiện trên đồng nghĩa dU 0 . Đối với các bộ chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn, điện áp chỉnh

lưu sẽ âm nếu góc kích thay đổi trong phạm vi 2 . Đối với các chỉnh lưu

điều khiển bán phần, điều kiện để Ud < 0 không thể xảy ra với mọi giá trị góc kích. Do đó chế độ nghịch lưu của bộ chỉnh lưu không thể thực hiện được đối với bộ chỉnh lưu điều chỉnh bán phần (chỉnh lưu bán điều khiển). Tải chỉ phát ra công suất Pd< 0 khi nó chứa phần tử sức điện động E <0. ví dụ động cơ 1 chiều ở chế độ máy phát. Tải chứa cuộn kháng lớn cũng có thể phát ra công suất đưa về nguồn xoay chiều trong thời gian ngắn. Trên hình 2.20 các đồ thị minh họa qua trình điện áp chỉnh lưu cầu 3 pha khi bộ chỉnh lưu chuyển chế độ làm việc tà chỉnh lưu sang nghịch lưu với giả thiết dòng điện tải liên tục. Các quá trình sóng đồng bộ(dạng cosin) và tín hiệu điện áp được điều khiển được vẽ trên cùng một trục tọa độ điện áp trên tải. Ta thấy quá trình điện Ud thay đổi liên tục theo đường cosin khi chuyển từ chế độ chỉnh lưu sang nghịch lưu. Trong trường hợp ngược lại, điện áp chỉnh lưu thay đổi theo dạng nhảy cấp.

a, Chế độ chỉnh lưu H2.19 b, Chế độ nghịch lưu

Pd >0; 2

2

;0 dP

R

L

+

-

Ud

Id

E + -

R

L

-

+

Ud

Id

E

- +

46

Hình 2.20

Ví dụ: Cho bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn mắc váo nguồn AC với trị hiệu dụng 220V, f = 50Hz . Tải RLE với R = 1 giả thiết với dòng điện tải là liên tục với L lớn vô cùng làm dòng tải phẳng với độ lớn Id = 20ª, cho góc điều khiển 0120 vẽ quá trình điện áp tải và dòng điện qua nguồn AC. Xác định độ lớn sức điện động E. Tính công suất phát ra của sức điện động và công suất nguồn AC nhận được.

Giải Đồ thị các quá trình điện áp tải, dòng điện nguồn Hình 2.21 Với giả thiết dòng điện liên tục, điện áp trung bình trên tải là:

VU d 99120cos.22022 0

Sức điện động E được xác định theo hệ thức: VIRUEIRU dddd 11920.199..

Công suất phát ra từ tải: PE = E.Id = -119.20= - 2380 W =-2,380kW Công suất tiêu hao trên điện trở: PR = R. kWWI d 4,040020.1 22

Công suất nguồn AC cung cấp PAC = Ud.Id = -99.20 = -1980W = 1,98kW Dấu (-) có nghĩa tải đưa công suất về nguồn qua bộ chỉnh lưu.

47

Hình 2.21

Ví dụ 2: Giải thích các chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu theo hình 2.22 a, b, c

khi thay đổi góc kích trong phạm vi 20 và 2 . Khi nào tồn tại

chế độ nghịch lưu trong các hình trên. Trạng thái công suất nguồn và tải như thế nào?

Giải + Ở TH a, chiều của sức điện động E và dòng điện của tải cho thấy luôn

nhận công suất. Khi 20 , điện áp chỉnh lưu trung bình dương. Phụ thuộc

và độ lớn của góc điều khiển, điện áp chỉnh lưu và dòng điện sẽ đạt các giá trị

Hình 2.22

R

L

E + -

a,

R

L

E -

b,

R

L

E -

c,

48

khác nhau dòng điện có thể liên tục hoặc gián đoạn. Nguồn AC cung cấp công

suất tiêu thụ trên R, E và tích lũy năng lượng từ trường trong L. Khi 2

nếu dòng tải liên tục: điện áp tải âm Ud và E cùng dấu có khuynh hướng làm giảm liên tục dòng điện về 0, chiều các SCR không cho phép chuyển sang âm dưới tác dụng của Ud và E trong giai đoạn quá độ này nguồn AC, sức điện động E và điện trở R đều nhận công suất. Tổng các công suất vừa được nêu cung cấp bởi cuộn kháng L mà theo thời gian dòng điện qua nó giảm xuống. Ở chế độ dòng điện gián đoạn: Trị trung bình điện áp trên tải là dương, nguồn AC cung cấp công suất cho tải RLE. Như vậy: Bộ chỉnh lưu có thể làm việc trong chế độ nghịch lưu trong thời gian quá độ ngắn, chế độ nghịch lưu không thể tồn tại ở chế độ xác lập. + Ở TH b, Có thể thấy rằng chế độ nghịch lưu có thể thiết lập với giá trị

góc kích thỏa mãn điều kiện 0.cos.22 EIRUU dd

+ Ở TH c, Điều kiện 0..cos12 EIRUU dd

không thể thỏa

mãn với mọi giá trị của góc kích. Do E và Ud cùng dấu, dòng điện qua tải sẽ tăng đến giá trị lớn cho bởi hệ thức (Ud + E)/R. Công suất nguồn AC và công suất phát ra bởi sức điện động E sẽ tiêu hao một phần trên R, phần còn lại tích lũy trong cuộn kháng L. Bộ chỉnh lưu như vậy làm việc ở chế độ chỉnh lưu. 3.2. Chế độ dòng điện liên tục và dòng điện gián đoạn Do điện áp chỉnh lưu ud tạo thành có dạng xung nên giá trị điện áp này có thể tách làm 2 thành phần : Phần một chiều với giá trị tức thời bằng trị trung bình áp chỉnh lưu Ud và thành phần xoay chiều ddd Uuu

Thành phần xoay chiều của áp chỉnh lưu ud làm dòng điện tải id bị nhấp nhô. Tương tự như điện áp, dòng chỉnh lưu có thể tách thành 2 thành phần tương ứng : ddd iIi

Thành phần xoay chiều của dòng làm dòng điện tải có thể bị gián đoạn. Khác với chế độ dòng tải liên tục, khi mà điện áp tải trung bình chỉ phụ thuộc vào yếu tố nguồn điện và yếu tố điều khiển (góc kích), ở chế độ dòng qua tải bị gián đoạn dạng điện áp chỉnh lưu của tải phụ thuộc không những vào yếu tố nguồn và góc điều khiển mà phụ thuộc cả vào tham số của tải RLE. Ví dụ, xét điện áp tải chỉnh lưu bộ chỉnh lưu cầu 1 pha đối với tải RLE khi id = 0. Hình 2.23

49

ud = 0 nếu E = 0 ud = E nếu E ≠ 0

Hình 2.23

Các hệ thức Ud dẫn giải cho dòng liên tục không áp dụng cho trường hợp dòng gián đoạn. Tỉ lệ phân bố thời gian dòng điện qua tải liên tục (id > 0) và thời gian dòng gián đoạn (id = 0) trong một chu kỳ xung áp chỉnh lưu phụ thuộc vào các giá trị tham số tải R, L, E và góc điều khiển .Việc tính toán điện áp chỉnh lưu trong trường hợp này

rất phức tạp. Khi dòng tải gián đoạn, quan hệ giữa điện áp chỉnh lưu và không còn là duy nhất. Trong điều khiển, ví dụ ĐC 1 chiều khi dòng tải bằng 0, momen tác dụng triệt tiêu và việc điều khiển tải không có tác dụng. Tác dụng dòng tải gián đoạn làm đặc tính điều khiển trở nên phi tuyến, hiện tượng quá độ của hệ điều khiển khó hiệu chỉnh, do đó trong kỹ thuật người ta cố gắng hạn chế vùng làm việc của bộ chỉnh lưu ở chế độ dòng gián đoạn Bài tập Bài 1: a, Cho sơ đồ chỉnh lưu cầu Uo = 15V thì điện áp cực đại của điện áp thứ cấp MBA U2 là bao nhiêu? b, Biết U1 = 220V tính số vòng dây W1 biết số vòng dây W2 = 60. c, Tính từ thông cực đại trong lõi thép của MBA cho biết tiết diện mạch từ S = 10cm2. d, Bỏ qua điện trở dây quấn MBA , tính dòng điện trung bình qua tải 300Ω và dòng điện cực đại mà mỗi điode phải chịu. e, Tính công suất thứ cấp MBA

Giải

a, Đây là mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ nên trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu U0 = max2

2 U

Suy ra U2max = 02U = 1,57 . 15 = 23,6 V

b, Trị số hiệu dụng của điện áp thứ cấp

U1 Rt

U2

I0

50

U2 = 6,1626,23

2max2

U V

Số vòng dây của sơ cấp là

W1 = W2 6,16

220.602

1

UU

795 vòng

c, Từ công thức cơ bản của MBA U1 = 4,44. W1.f. Φm

Φm = fW

U..44,4 1

1 310.23,150.795.44,4

220 Wb

Bm = 4

3

10.1010.24,1

Sm =1,24 T

d, Dòng điện trung bình qua tải

Io = 50300150

RU mA

Dòng điện cực đại qua mỗi điode

Im = 7,78300

6,23

RU m mA

e, Công suất thứ cấp MBA

P = 918,0300

6,16 222

RU W

Bài 2: Bộ chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ cung cấp cho tải điện cảm với dòng điện 15A, nguồn xoay chiều U = 240V. Tính điện áp trung bình trên tải khi góc α = 450; 900; 1350; 1800.; Tính các thông số của thyristor và điode

Giải Điện áp trung bình trên tải

Utb = )cos1(2

mU

Từ đó suy ra α 00 450 900 1350 1800

Utb (V) 108 92 54 16 0 Các thông số tính chọn của thyristor

Điện áp ngược cực đại Umax = U. 2 = 240. 2 = 340 V

Khi α = 00 khoảng dẫn của thyristor cực đại. Trị hiệu dụng của dòng điện qua

thyristor là

I = 6,102

015 22

Điện áp ngược cực đại của diode chuyển mạch là Ung = Umax = 340 V

Khi α = 1800 điode chuyển mạch dẫn điện gần như liên tục với dòng điện 15A

I=15A T

ud

U2

U1 Ld D

51

Bài 3: Sơ đồ chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ dùng MBA có điểm giữa. Điện áp cấp của MBA là 120V. a, Tính điện áp trung bình trên tải khi góc α lần lượt là 00; 300; 600; 900 giả thiết dòng điện tải bằng phẳng và điệna sp rơi trên thyristor là 1,5V. b, Xác định các thông số của thyristor biết rằng dòng điện tải I = 15A.

2'u

2''u

1udu Rd

T1

T2

Giải a, Chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ dùng MBA có điểm giữa có

Utb =

cos2 maxU

Nếu kể đến điện áp rơi trên thyristor thì

Utb =

cos2 maxU - 1,5 = 5,1cos.2.120.2

Từ đó suy ra Góc mở α 00 300 600 900 Utb (V) 106,5 92,1 52,5 0

b, Xác định các thông của thyristor Điện áp ngược đặt lên mỗi thyristor Ung = 2Umax =2.120 2 = 340 V Dòng điện hiệu dụng qua thyristor

I = AI tai 6,10

215

2

Bài 4: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển. Biết điện áp nguồn U = 120V, điện áp rơi trên thyristor là 1,5V. Tính điện áp rơi trên tải khi góc mở α lần lượt là 00; 450; 900

và điện áp ngược cực đại trên thyristor

Giải Đây là sơ đồ chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ, trị số trung bình của điệna sp chỉnh lưu tương tự như trường hợp chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ với MBA có điểm giữa.

Utb =

cos2 maxU

Nếu kể đến điện áp rơi trên 2 thyristor cùng dẫn thì

iT3 iT1 T3 T1 Rt i2

ud

iT4 iT2

id T4 T2

u2

52

Utb =

cos2 maxU - (2 x 1,5) từ đó suy ra

Góc mở α 00 450 900 Utb (V) 105 73,4 0

Vì có 2 thyristor cùng dẫnnên điện áp ngược cực đại trên từng thyristor là Ung = Umax = 120 2 = 169,7 V

Bài 5: Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha chỉnh tia có điều khiển. Biết điện áp pha của nguồn Uf = 150V. a, Tìm dạng sóng đầu ra trên tải. b, Xác định điện áp trung bình trên tải khi góc mở α lần lượt là 00; 300; 600; 900

. Biết điện áp rơi trên từng thyritor là 1,5V và dòng điện tải là không đổi.

dubu

cu

au

dR

Giải a, Dạng sóng điện áp tải được biểu diễn trên hình a. Góc mở α tính từ thời điểm giao nhau của các điện áp pha. Các SCR dẫn điện từ T1, T2 đến T3. Các xung điều khiển vẽ trên hình b

b, Trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu trừ đi điện áp rơi trên 1 SCR.

Utb =

cos.2

33maxU - 1,5

Từ đó suy ra

t

u

0 2

ud uc ub Nét đậm

ua

4 3 2 1 Hình a

t t

t

igA

igB

igC

Hình b

53

Góc mở α 00 300 600 900 Utb (V) 173,9 150,4 86,2 0

Bài 6:

Cho mạch chỉnh lưu cầu có tải R+ E biết 2 2.220sinu t , f = 50Hz, E = 110V, R = 2

a. Tính trị trung bình của dòng điện tải id? b. Tính giá trị hiệu dụng của dòng điện tải? c. Chọn Diode (Umax,ID) cho hệ số Ku = 1,6, K I = 1,2

Giải

a. Tính dòng Id theo công thức : 2 1

12 2 cos sind

UIR T

b. Tính giá trị hiệu dụng của tải : 22 .d

U EIR T

Dòng điện trung bình qua Diode Mỗi chu kỳ : 2d

DII

c. Choïn Diode : .

2

. 1,2

. 1,6. 2D

D I D D

mn u mn

I K I I

U K U U

IK , uK là hệ số an toàn

54

Bài 3. BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU Bộ biến đổi điện áp xoay chiều được sử dụng để thay đổi trị hiệu dụng của điện áp ngõ ra. Nó được mắc vào nguồn xoay chiều dạng sin với tần số và trị hiệu dụng không đổi và tạo ở ngõ ra điện áp xoay chiều có cùng tần số nhưng trị hiệu dụng điều khiển được. Do đó, bộ biến đổi điện áp xoay chiều có tính năng giống MBA điều khiển vô cấp. Điện áp đáp ứng ở ngõ ra thay đổi nhanh và liên tục. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều để điều khiển công suất tiêu thụ của các tải như lò nướng điện trở, bếp điện, điều khiển chiếu sáng cho sân khấu, quảng cáo, điều khiển vận tốc động cơ không đồng bộ công suất vừa và nhỏ (máy quạt gió, máy bơm, máy xay) điều khiển động cơ vạn năng(dụng cụ điện cầm tay, máy trộn, may sấy). Bộ biến đổi điện áp xoay chiều còn được sử dụng trong hệ thống bù công suất phản kháng. 1. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha 1.1. Trường hợp tải thuần trở(R)

Mạch gồm nguồn điện áp xoay chiều 1pha dạng sin u = Um sinωt mắc nối tiếp với tải R thông qua công tắc xoay chiều bán dẫn. Công tắc xoay chiều bán dẫn gốm 2 SCR mắc song song và ngược chiều V1 và V2 và trong trường hợp công suất nhỏ có thể thay chúng bằng 1 triac. Phân tích mạch Trông khoảng từ (0÷α) dòng qua tải bị ngắt ta có: it = 0, ut = 0 Trên thyristor V1 xuất hiện điện áp khóa vì uV1 = u – ut = u >0 Tại thời điểm tương ứng góc X = α, xung kích IG1 đưa vào điều khiển V1 trong điều kiện có áp khóa làm V1 đóng. Dòng điện khép kín qua mạch (u, V1, R)

55

Trạng thái V1. Các phương trình mô tả trạng thái V1 trong thời gian V1 dẫn (α ≤ X < π) uV1 = 0 = -uV2

iV1 = it ; iV2 = 0 ut = - uV1 + u = u = UmsinX ut = R . i Tại X = π dòng qua V1 bị triệt tiêu. Lúc đó, dòng điện tải bằng không và ta có trạng thái không. Các phương trình mô tả trạng thái 0 it = iV1 = iV2 = 0 uV1 = u – R. it = u uV2 = - u Điện áp đặt trên V2 trong khoảng thời gian ứng với X > π có giá trị dương – điện áp khóa, việc kích vào cổng của V2 trong khoảng (π+ α < X <2 π) làm v2 đóng Các phương trình mô tả trạng thái V2 uV2 = 0; iV2 = -it uV1= -uV2 = 0

iV1 = 0 ut = u = UmsinX < 0

it = 0Ru

Tại vị trí X = 2π dòng qua V2 bị triệt tiêu nên V2 bị ngắt mạch trở về trạng thái không

Các hệ quả Trị hiệu dụng áp của tải

Ut = 21

2

0

2 .21

dxut

Ut = U.21

22sin1

Ut = U.21

22sin1

56

Khi góc điều khiển α thay đổi trong phạm vị (0, π ) điện áp tải có trị hiệu dụng biến thiên trong khoảng (0,U). Đồ thị biểu diễn trị hiệu dụng Ut theo góc điều khiển α được vẽ trên hình 3.3 Trị hiệu dụng dòng điện qua tải

It = R

U t

Hệ số công suất

PF = 21

2

22sin1

./

UU

IURU

FP

t

t

Dòng điện trung bình qua SCR

cos12

sin21

RUxdx

RUI mm

VAV

Trị hiệu dụng dòng điện qua SCR.

2VMRStII

1,2. Trường hợp tải thuần cảm ( L) Ta phân biệt 2 trường hợp điều khiển góc α a, Góc điều khiển α >

2

- Trạng thái 0: Trong khoảng trước vị trí góc kích α dòng tải bị gián đoạn. Các phương trình và hệ thức mô tả trạng thái không có dòng điện: it = 0

ut = L. dtdit = 0

iV1 = iV2 = 0 uV1 = -uV2 = u > 0 Trạng thái V1 (α < X < 2 π - α) Tại vị trí X = α , V1 được kích trong lúc có tác dụng của điện áp khóa nên đóng. Dòng điện khép kín qua mạch (u, V1, L). Trạng thái mạch điện được biểu diễn bởi hệ thức và phương trình sau: uV1 = 0

iV1= it ut = u = UmsinX

ut = L.dtdit

Từ điều kiện ban đầu it(α) = 0 và giải phương trình ta thu được nghiệm

57

it (X) = XL

U m coscos.

- Dòng điện có độ lớn tăng từ 0 đến cực đại rồi giảm về 0 tại vị trí X = 2 π – α. Do iV1 = it nên tại vị trí vừa nêu dòng qua V1 cũng bị ngắt.

Trạng thái 0 khoảng (2 π – α < X < π + α) Sau khi dòng qua V1 bị ngắt , mạch trở lại trạng thái không dẫn điện, các phương trình mô tả mạch điện: it = 0; ut = 0 iV1= iV2 = 0 uV1 = - uV2 < 0 Trạng thái V2 (π + α < X < 3 π - α) Tại vị trí X = α + π xung kích đưa vào V2 trong lúc V2 chịu tác dụng điện áp khóa nên V2 đóng. Dòng điện khép kín qua mạch (u,V2, L). Các phương trình và hệ thức mô tả trạng thái V2. uV2 = 0; iV2 = - it

ut =u; ut = L.dtdit

Giải phương trình dòng điện với it(π + α) = 0 ta được nghiệm dòng điện tải

it (X) = XL

U m coscos.

- Dòng điện qua tải và qua V2 có độ lớn tăng từ 0 đến cực đại rồi giảm về 0. tại đây V2 cũng bị ngắt mạch trở về trạng thái không.

Hệ quả: Đối với tải L và góc điều khiển 2 < α < π, ta có:

+ Dòng qua tải bị gián đoạn + Trị hiệu dụng điện áp trên tải có thể dẫn giải bằng hình 3.4

Ut = 21

21

22

22sin1sin.1

mm UdXXU

+ Trị hiệu dụng dòng điện qua tải

58

It = 21

221

22 2sin3cos21.12

..1

LUdxit

Trong ứng dụng với tải L, thành phần cơ bản dòng điện có ý nghĩa quan trọng

IL(t)m(α) =

2sin122

.LU m

Mạch hoạt động như 1 tải L điều chỉnh với cảm kháng là hàm phụ thuộc góc kích:

XL(α) =

2sin122

.LI

V

mtL

m

b, Góc điều khiển α < 2

Điện áp tải không thể điều khiển được nữa. Mạch sẽ hoạt động như một công tắc ở trạng thái luôn đóng. Các linh kiện V1, V2 lần lượt dẫn điện với khoảng dẫn của mỗi linh kiện bằng π. Dòng điện qua tải liên tục. Nếu bắt đầu đưa xung kích vào linh kiện từ vị trí α =

2 , dòng điện lệch pha so với điện áp 1 góc φ =

2 . Xung kích cần tạo thành dưới dạng chuỗi xung bắt đầu tại vị trí góc α và kết

thúc tại cuối nửa chu kỳ tương ứng với áp nguồn xoay chiều. Chẳng hạn, khi dòng tải qua V1 giảm đến 0, V1 bị ngắt. tại vị trí này trên V2 xuất hiện điện áp khóa, do có xung kích tác dụng lên V2 đóng và dẫn dòng điện qua tải theo chiều ngược lai. Do đó, dòng điện tải đổi dấu và qua điêm O một cách liên tục. Hệ quả: Với tải L, khi α <

2 bộ biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động như

công tắc ở trạng thái đóng và điện áp trên tải bằng áp nguồn xoay chiều. Đặc tính Ut(α) cho trường hợp tải L vẽ như hình 3.3 1.3. Trường hợp tải RL (Hinh 3.5) Tương tự như tải L, mạch hoạt động phụ thuộc vào góc điều khiển α. Giá trị

phân biệt 2 ở trường hợp tải L được thay bằng độ lớn góc φ trong trường hợp

tải RL, φ = arctg( RL )

Trường hợp α > φ dòng điện tải bị gián đoạn. Chu kỳ hoạt động được chưa làm 4 khoảng tương ứng 4 trạng thái sau: Trạng thái 0: Mạch không dẫn điện và áp khóa tác dụng lên V1. it = 0; ut = 0 iV1 = iV2 = 0 uV1 = -uV2 = u > 0

59

Trạng thái V1: V1 được kích dẫn

ut = u; ut = R.i + L.dtdit

iV1 = it ; uV1 = -uV2 = 0 Trạng thái 0: Mạch không dẫn điện và điện áp khóa tác dụng lên V2: it = 0; ut = 0 iV1 = iV2 = 0 uV1 = -uV2 = u <0 Trạng thái V2: V2 được kích dẫn uV1 = -uV2 = 0 iV2 = - it; ut = u

ut = R.i + L.dtdit

Nghiệm dòng điện, ví dụ trong khoảng V1 dẫn có dạng

it = iV1= =

XLR

m eXZ

U .sinsin

Z = 22 LR

Dòng điện qua tải bị gián đoạn Trường hợp α < φ : Dòng tải liên tục. Điện áp tải không điểu khiển được. Bộ BBĐ hoạt động như 1 công tắc luôn đóng. Điện áp tải bằng áp nguồn xoay chiều có trị hiệu dụng bằng U.. Xung kích cho linh kiện được kích dưới dạng chuỗi xung, bắt đầu từ vị trí góc điều khiển đến khi kết thúc nửa chu kỳ tương ứng của nguồn áp xoay chiều. Đặc tính Ut (α) Xem hình 3.15 phụ thuộc vào các tham số RL mạch tải, thay đổi giữa đặc tính tải thuần trở và tải thuần cảm. Tính chất tương tự khi hoạt động tải với tải R, L, RL được trình bày ngắn gọn trong bảng 3.1 Bảng 3.1 Quan hệ tổng quát R L RL Tính chất

RL arctan φ = 0

2

RL arctan Φ góc đặc trưng

của tải α > φ α > 0 Α >

2

RL arctan Dòng tải gián

đoạn

60

α < φ α <2

RL arctan Dòng tải liên tục

2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha dạng đầy đủ hình 3.6 có cấu tạo gồm 3 công tắc bán dẫn, đấu vào nguồn xoay chiều 3 pha, để thực hiện cung cấp điện cho tải 3 pha. Khi công suất tải nhỏ, các cặp công tắc dùng thyristor có thể thay bằng triac. Phân tích BBĐ ĐAXC 3 pha, ngay cả trường hợp tải thuần trở rất phức tạp vì việc theo dõi quá trình điện áp và dòng điện trng mạch rất khó. Dạng sóng điện áp và dòng điện tải thay đổi khác nhau phụ thuộc độ lớn góc điều khiển và các tham số mạch tải(đối với tải thuần trở). Ngày nay, việc phân tích được mô phỏng phần mềm máy tính. Dạng sóng điện áp và dòng điện cho một số cấu hình BBĐ phụ thuộc góc điều khiển ứ ng với các tải R, RL được vễ trên hình 3.7 cho tải R và hình 3.8 cho tải RL nối tiếp. Đặc tính điều khiển: được vẽ trên hình 3.10. Với tải R phạm vi điều khiển

góc kích nằm trong khoảng ( 0,6

5 ); đối với tải L phạm vi điều chỉnh góc kích

(6

5,2

); đối với tải RL phạm vi điều chỉnh góc kích là (arctan6

5; RL )

61

Xung kích: Để đảm bảo quá trình kích dẫn của SCR xung kích được thức hiện dưới dạng chuỗi xung bắt đầu từ vị trí ứng với góc kích cho đến khi vượt khỏi

nửa chu kỳ tương ứng một góc 6

62

Bài 4. BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 1. Bộ giảm áp 1.1. Sơ đồ mạch điện

1.2. Nguyên lý hoạt động Mạch bộ giảm áp gồm nguồn điện áp một chiều không đổi U mắc nối tiếp với tải qua công tắc S. Tải một chiều tổng quát gồm RL và sức điện động E(ví dụ như động cơ điện 1 chiều). Điode không Vo mắc đối song song với tải (Hình 4.1a). Nguồn điện một chiều có thể lấy từ acquy, pin điện, nguồn áp xoay chiều qua bộ chỉnh lưu không điều khiển và mạch lọc. Công tắc S có chức năng điều khiển đóng và ngắt được dòng điện đi qua nó. Do tính năng trên công tắc S phải là linh kiện tự chuyển mạch, chẳng hạn như BJT, MOSFET, IGBT, GOT hoặc ở dạng kết hợp gồm SCR với bộ chuyển mạch. Tải một chiều hay gặp trong thực tế là động cơ một chiều. Phân tích: Hình 4.1b Giả thiết dòng điện qua tải liên tục. Do cấu tạo mạch chỉ chưa công tắc S với 2 trạng thái hoạt động là đóng và ngắt dòng điện nên ta phân tích mạch theo 2 trạng thái cơ bản này. Trạng thái đóng S: Thời gian đóng T1, dòng điện dẫn từ nguồn U khép kín qua mạch gồm (U,S,RLE). Phương trình trạng thái hoạt động của tải: ut = U

ut = R.it + L.dtdit + E

Chọn thời điểm to = 0 ta có it(to) = io Giải hệ phương trình vi phân ta có nghiệm dòng điện đi qua tải có dạng:

it(to) = t

o

t

eieR

EU

.1 (1)

63

Với RL

là hằng số thời gian mạch tải

Tại cuối thời điểm T1, ta có it1 = it(T1) = i1 Quá trình dòng điện tải có dạng tăng theo hàm số mũ. Trạng thái ngắt S:Khoảng thời gian (T1<t<T) khoảng thời gian ngắt T2. Do bị ngắt nên dòng qua S bị triệt tiêu. Mạch tải có chứa L nên dòng qua nó không thể thay đổi đột ngột được. Do tính liên tục của dòng điện qua tải L, dòng tải it tiếp tục đi theo chiều cũ và khép kín qua điode không Vo thuận chiều đang dẫn của nó. Phương trình mô tả trạng thái mạch (Vo, RLE) ut = 0

ut = R.it + L.dtdit + E (2)

Điều kiện ban đẩu của (2) từ (1) dòng điện tải it đạt giá trị tại thời điểm t = T1

i1 = it(to+T1)= it(T) = o

t

ieR

EU

1

Giải phương trình (2) chứa nghiệm dòng điện tải it ta có:

11

11TtTt

t eieREti

(3)

Dòng điện có quá trình giảm theo hàm số mũ: Tại cuối khoảng thời gian T2, công tắc S lại được kích đóng. S dẫn điện làm điện áp nguồn U tác dụng lên diode không Vo như điện áp ngược nên ngắt dòng qua nó. Trạng thái S đống được phân tích ở phần trên. Chế độ dòng tải gián đoạn:

64

Khi E = 0, dòng điện tải liên tục. Khi E >, dòng điện tải có thể liên tục hoặc gián đoạn phụ thuộc vào giá trị của hàm số điều khiển (T1, T2) và tham số tải(RLE) Ở chế độ dòng gián đoạn hình 4.2, khoảng thời gian dòng gián đoạn (it=0) xuất hiện trong thời gian ngắt công tắc S, dòng điện tải liên tục bời phương trình (1 và (2) bắt đầu từ giá trị it(0) = i0 =0 Trong giai đoạn đầu của thời gian ngắt công tắc S(T1<t<t2) dòng điện tải liên tục giảm trạng thái mạch được mô tả bởi phương trình (2) và (3) nghiệm dòng điện theo tải theo (3) giảm và đạt giá trị 0 tại thời điểm t2 thỏa mãn điều kiện.

0111

1

TtTt

t eieREti ; (T1<t2<T) (4)

Giải phương trình (4) xác định được t2:

t2 =

11ln. 1

TeEU (5)

Giai đoạn dòng tải gián đoạn: (t2 < t <T) điện áp trên tải bằng E. Trị trung bình điện áp trên tải: diễn giải theo hệ thức sau:

;1 221

TtEU

TtTE

TTUU t

TT1 (6 )

Hệ quả: Với chế độ dòng điện qua tải liên tục ta có: + Điện áp trên tải có dạng xung thay đổi giữa 2 giá trị 0 và +U

+ Bằng cách thay đổi tỉ số TT1 giảm T1, thời gian đóng S và T, chu kỳ đóng

ngắt (T = T1 + T2), ta điều khiển trị trung bình áp tải và dòng tải theo các hệ thức:

Ut =

UTTU

TTTUdtut

T

121

0

..0.

.1 ; TT1 (7)

Do 10 1 TT

UU t 0

65

R

EUi tt

(8)

Ở chế độ dòng tải gián đoạn, các quá trình dòng điện và điện áp được mô tả bằng hệ thức các phương trình 1,2,...7,8. Bộ giảm áp dùng làm nguồn điện áp cho truyền động điện động cơ một chiều, là bộ phận nguồn cho bộ biến tần áp, bộ biến tần dòng điện. 1. Bộ giảm áp 2 1.1. Sơ đồ mạch điện

R

+

CD1

S L

+

-Vidc

1.2.Nguyên lý hoạt động

D1R

+

C

S L

+

-Vidc

D1

S

R

+

C

L

+

-Vidc

Mạch có cấu tạo nguyên lý đơn giản chỉ dùng một van đóng cắt nguồn điện và phần lọc đầu ra. Điện áp đầu ra được điều biến theo độ rộng xung Khi " Switch On" được đóng tức là nối nguồn vào mạch thì lúc đó dòng điện đi qua cuộn cảm và dòng điện trong cuộn cảm tăng lên, tại thời điểm này thì tụ

66

điện được nạp đồng thời cũng cung cấp dòng điện qua tải. Chiều dòng điện được chạy theo hình vẽ Khi " Swith Off" được mở ra tức là ngắt nguồn ra khỏi mạch. Khi đó trong cuộn cảm tích lũy năng lượng từ trường và tụ điện điện được tích lũy trước đó sẽ phóng qua tải. Cuộn cảm có xu hướng giữ cho dòng điện không đổi và giảm dần. Chiều của dòng điện trong thời điểm này như trên hình vẽ. Quá trình đóng cắt liên tục tạo tải một điện áp trung bình theo luật băm xung PWM. Dòng điện qua tải sẽ ở dạng xung tam giác đảm bảo cho dòng liên tục qua tải. Tần số đóng cắt khá cao để đảm bảo triệt nhiễu công suất cho mạch. Van công suất thường sử dụng các van như Transitor tốc độ cao, Mosfet hay IGBT...

- Để phân tớch mạch ta thừa nhận các giả thiết sau: - Mạch hoạt động trong chế độ thường trực. - Dòng trong cuộn cảm là liên tục (luôn dương) - Tụ điện rất lớn và giữ điện thế ra không đổi V0 - Chu kỳ giao hoán T,S đóng trong thời gian DT và S hở trong thời gian (1-

D)T - Các linh kiện là lý tưởng. Công suất ra bằng công suất vào

S

Ton Toff

DT

Vi

VL

Vi - Vo

- Vo

IL

ILmax

IL = I0 ILmin

IC

∆iL

∆iC

t

t

t

t

67

Theo đó sự thay đổi tổng cộng dòng điện chạy qua cuộn cảm khi S đóng và khi S hở là bằng 0.

0)()( OFFLONL ii

. Phân tớch khi S đóng.

khi S đóng, do điốt phân cực nghịch nên ngưng, ta có dòng điện chạy qua cuộn cảm. Điện thế cuộn cảm bằng

dtdiLVViVVVV L

LoLi 0 (1’)

Suy ra:

L

VVdtdi oiL

(2’)

Do đạo hàm dòng là một số dương không đổi, dòng điện tăng tuyến tính sự thay đổi dòng điện khi S đóng được viết lại theo dạng sau

DT

iti

dtdi LLL DT

LVVi

LVV ii

SwonLoi

)()( (3’)

. Phân tích khi S mở

Khi s mở điốt trở nên phân cực thuận nên dẫn, và do đó cho dòng điện cuộn cảm chạy qua hình 3.6 . Điện thế qua cuộn cảm khi shở

L

Vdtdi

dtdiLVV LL

L0

0 (4’)

Đạo hàm của dòng điện qua cuộn cảm là hằng số âm, và dòng giảm tuyến tính hình 3.4 .

Sự thay đổi dòng cảm khi bậc S hở

tiL

= TD

LVi

LV

TDi

WoffSLL )1()1(

0)¦(

0

(5’)

Hoạt động thường trực đòi hỏi dòng điện cuộn cảm tại cuối chu kỳ giao hoán bằng với trị số tại lúc bắt đầu nghĩa là sự thay đổi tổng cộng trong dòng cuộn cảm trên một chu kỳ là bằng không. Điều đó đòi hỏi.

68

0)1(0)()( 00

TD

LVDT

LVViii swoffLswonL (6’)

- Giải ta được điện thế ra

iDVV0 ion VTt

0V < iV (7’)

Thay vào (3.11) được

)()( swonLi DTL

VVi

0 =

DTL

VDV

00

TDL

V10 (8’)

Điện thế DC ra nhỏ hơn điện thế DC vào

- Dòng điện trung bình qua cuộn cảm: Dòng điện trung bình qua cuộn cảm phải bằng dòng qua tải vì dòng trung bình qua tụ là bằng không trong chế độ thường trực

R

VII RL0 (9’)

- Sự thay đổi của dòng qua cuộn cảm cho bưởi phương trình (3.14) va (3.15) giúp ta tính được trị max và min của nó.

Lt

RV

LfD

RVTD

LV

RViII off

swon

LL 2

12

11121

2 0000

max (10’)

swoff

LL

iII2min

Lt

RV

LfD

RVTD

LV

RV off

21

2111

21

0000 (11’)

Chú ý: Trong cách phân giải trên ta xem dòng điện liên tục. Trường hợp dòng không lien tục sẽ được xét đến ở sau.

- Trị số L

Vi Imin= 0 là giới hạn giữa dòng liên tục và không liên tục, ta tính được.

RDLfLf

DR

VI2

)1(02

11min0min

(12’)

RTDRLf

DL2

12

1min

(13’)

Lmin là trị số cực tiểu cuộn cảm cần thiết để dòng qua cuộn cảm liên tục

69

- Độ dợn sóng ngõ ra

ở đoạn trược ta giả sử tụ điện C có trị số lớn để giữ điện thế ngõ ra không đổi. Trong thực tế, điện thế ra không hoàn toàn không thay đổi với điện dung có trị số có hạn. Sự thay đổi điện thế ra thay đổi chung quanh trị số trung bình được gọi là điện thế dợn sóng. Độ dợn sóng được tính theo biểu thức dòng điện - điện thế của tụ điện. Ta có dòng qua tụ như ở H.8:

RL iii 0 ( 14’)

Khi dòng qua tụ có trị dương, tụ điện và ta có

0VCQ (15’)

CVV 0

0

Khi " Switch On" được đóng tức là nối nguồn vào mạch thì lúc đó dòng điện đi qua cuộn cảm và dòng điện trong cuộn cảm tăng lên, tại thời điểm này thì tụ điện được nạp đồng thời cũng cung cấp dòng điện qua tải. Chiều dòng điện được chạy theo hình vẽ Khi " Swith Off" được mở ra tức là ngắt nguồn ra khỏi mạch. Khi đó trong cuộn cảm tích lũy năng lượng từ trường và tụ điện điện được tích lũy trước đó sẽ phóng qua tải. Cuộn cảm có xu hướng giữ cho dòng điện không đổi và giảm dần 2. Bộ tăng áp 1 2.1. Sơ đồ mạch điện

Khi thực hiện hãm tái sinh động cơ một chiều, năng lượng từ nguồn điện áp thấp(sức điện động E) được trả lại nguồn điện áp lớn hơn (nguồn một chiều U), điều này có thể thực hiện nhờ hoạt động của bộ tăng áp. Hinh 4.3 Điều kiện để mạch hoạt động là E < U và nguồn U có khả năng tiếp nhận năng lượng do tải trả về. Tải một chiều phải chứa nguồn dự trữ năng lượng (sức

70

điện động E) và cảm kháng. Công tắc S thuộc dạng tự chuyển mạch được như trường hộ bộ giảm áp. Diode Vo cho phép dòng điện dẫn theo chiều từ tải về nguồn và ngăn dòng điện đi theo chiều ngược lại. Phân tích hoạt động mạch bộ tăng áp ở chế độ dòng điện tải liên tục và mạch xác lập Hình 4.4 Trạng thái đóng S: Khoảng thời gian (0 < t < T1). Dòng điện khép kín qua mạch (RLE,S). Phương trình mô tả trạng thái S đóng: ut = 0

ut = - R.it - L.dtdit + E (9)

it(to) = it(0) = i0 giả thiết thời điểm chu kỳ khảo sát to =0 Dòng điện qua tải io tăng theo hàm số mũ. Hệ thức biểu diến dòng điện tải có dạng

it(t) = o

t

ieiRE

10 (10)

Tại thời điểm cuối khoảng đang xét, ta có t =T1 và it(T1)= it ; RL

Năng lượng do sức điện động E phát ra một phần tiêu hao trên điện trở, phần còn lại dự trữ trên cuộn kháng. Trạng thái Vo: Khoảng thời gian (T1 < t < T). Công tắc S bị kích ngắt trong khoảng thời gian T2. Dòng qua công tắc S bị triệt tiêu. Do tính liên tục của dòng qua tải chứa L nên dòng tải tiếp tục dẫn điện theo chiều cũ và khép kín qua điode Vo và nguồn U. ut = U

ut = - R.it - L.dtdit + E (11)

Tại thời điểm đầu khoảng đang xét, dòng điện tải có giá trị it(T1)= i1 Nghiệm dòng điện tải của (8) giảm theo hàm số mũ, cho bởi hệ thức:

10

1

1 ieiR

UEtiTt

t

(12)

Cuộn kháng giải phóng một phần năng lượng dự trữ. Sức điện động E ở chế độ phát năng lượng. Cả hai năng lượng này được đưa về nguồn U một phần, phần còn lại tiêu hao trên điện trở tải. Hệ quả: - Điện áp tải thay đổi theo dạng xung giữa hai giá trị +U và 0

71

- Bằng cách thay đổi tỉ số giữa T1: Thời gian đóng S và T = T1 + T2 chu kỳ đóng ngắt S ta điều khiển công suất phát tà nguồn E cũng như công suất trả về nguồn U. Có thể xác định độ lớn thông qua trị trung bình dòng điện và điện áp tải.

0

221 1..0

.1 UTT

UT

TUTdtu

TU tt ;

TT1 (13)

Do 11 TTU 0 tU U

R

EUi tt

(14)

Nếu thay đổi vai trò giữa U và tải: gọi tải Ut là nguồn cấp năng lượng và U là tải nhận năng lượng, ta có:

tt U

UU

1 (15)

Điện áp tải điện áp nguồn nên ta gọi đây là bộ tăng áp 2. Bộ tăng áp 2 2.1. Sơ đồ mạch điện

2.2.Nguyên lý hoạt động

Mạch có cấu tạo nguyên lý khá đơn giản. Cũng dùng một nguồn đóng cắt, dùng cuộn cảm và tụ điện. Điện áp đầu ra phụ thuộc vào điều biến độ rộng xung và giá trị cuộn cảm L Khi "Swich On" được đóng lại thì dòng điện trong cuộn cảm được tăng lên rất nhanh, dòng điện sẽ qua cuộn cảm qua van và ve GND. Dòng điện không qua diode và tụ điện phóng điện cung cấp cho tải Khi "Switch Off" được mở ra thì lúc này ở cuối cuộn dây xuất hiện với 1 điện áp bằng điện áp đầu vào. Điện áp đầu vào cùng với điện áp ở cuộn cảm qua

72

diode cấp cho tải và đồng thời nạp cho tụ điện. Khi đó điện áp đầu ra sẽ lớn hơn điện áp đầu vào, dòng qua tải được cấp bởi điện áp đầu vào. Chiều của dòng điện được đi như hình vẽ! Điện áp ra tải còn phụ thuộc giá trị của cuộn cảm tích lũy năng lượng và điều biến độ rộng xung (điều khiển thời gian on/off). Tần số đóng cắt van là khá cao hàng Khz để triệt nhiễu công suất và tăng công suất đầu ra.Dòng qua van đóng cắt nhỏ hơn dòng đầu ra.Van công suất thường là Transior tốc độ cao, Mosfet hay IGBT... Diode là diode xung, công suất

D2

SR

+

C

L

+

-Vidc

S¬ ®å ph©n tÝch tr¹ng th¸i ho¹t ®éng

S

D

R

+

C

+

-Vidc

D

S R

+

C+

-Vidc

. Phân tích mạch - Mạch hoạt động trong chế độ thường trực. - Dòng trong cuộn cảm là liên tục (luôn dương) - Tụ điện rất lớn và giữ điện thế ra không đổi V0 - Chu kỳ giao hoán là T, S đóng trong thời gian DT và S hở trong thời gian

(1-D)T - Các linh kiện là lý tưởng. Công suất ra bằng công suất vào

VL = Vi VL = Vi – V0

S To Tof

DT

Vi

VL

Vi - I

t

t

73

. Phân tích khi S đóng

Khi S đóng, diode phân cực nghịch nên ngưng, dòng điện qua cuộn L tạo nên điện thế VL cho bởi

LV

dtdi

dtdiLVV iLL

IL (16’)

Tốc độ thay đổi của dòng điện là hằng số, dòng điện tăng tuyến tính khi S đóng có thể viết lại dạng:

DTi

ti LL

LVi (17’)

Giải Li cho

LDTVi i

swonL (18’)

. Phân giải khi S mở

Khi S hở, diode phân cực thuận nên dẫn cho dòng qua cuộn cảm L tạo nên điện thế của cuộn cảm VL

L

VVdtdiLVVV iL

iL0

0

(19’)

Tốc độ thay đổi dòng cuộn cảm là hằng số, dòng cuộn cảm thay đổi tuyến tính khi S hở cho bởi

tiL

TD

iL

1 LVVi 0 (20’)

Giải cho kết quả

74

L

TDVVi iswoffL

10 (21’)

ở hoạt động thường trực, sự thay đổi tổng cộng dòng trong cuộn cảm phải bằng không, theo (3.30) và (3.33) ta được

swonLi + swoffLi = 0LDTVi +

LTDVVi 10 =0

- Ta suy ra được điện thế ra ở tải

D

VV i

10 (22’)

Và do đó

Lswoffi L

TDVVi 10 =

LDTV

L

TDD

VVi

Ii

1

1 (23’)

- Tìm dong điện qua cuộn cảm

Công suất ngõ ra hấp thụ của tải

R

VP2

00 (24’)

Và do công suất ra bằng công suất vào, ta có

LIii IVIV (25’)

LI IV =R

V 20 =

RDV

RD

V

I

I

2

2

2

11

(26’)

Suy ra dòng trung bình qua cuộn cảm

LI RD

VI21

(27’)

- Trị số Imax và Imin cho

swon

LL

iII2max RD

VI21

+L

DTVi

2 (28’)

minI LI

swoff

Li2 RD

VI21

-L

DTVi

2 (29’)

75

Trong điều kiện dẫn liên tục ta có trị giới hạn của dòng qua cuộn cảm bằng không, Suy ra

minLI = 0 = RD

VI21

-L

DTVi

2

RDVI

21=

LDTVi

2 (30’)

Suy ra trị số tối thiểu của cuộn cảm để mạch hoạt động liên tục

f

RDDLRDDLf2

12

1 2

min

2

min

(31’)

3. Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều 3.1. Điều khiển với tần số đóng ngắt không đổi Chu kỳ đóng ngắt T= T1 + T2 khoont thay đổi. Điện áp trung bình của tải được điều khiển thông qua sự phân bố khhoangr thời gian đống T1 và ngắt công tắc T2 trong chu kỳ T. Đại lượng đặc trưng khả năng phân bố chính là tỉ số

TT1

Kỹ thuật điều khiển tỉ số TT1 có thể thực hiện dựa vào hai tín hiệu cơ bản:

Sóng mang dạng răng cưa up và sóng điều khiển một chiều udk. Hai dạng sóng này được đưa vào bộ so sánh và tín hiệu ngõ ra được dùng để kích đóng công tắc S. Sóng mang có tần số không đổi và bằng tần số đóng ngắt công tắc S. Tần số thành phần xoay chiều hài cơ bản của điện áp tải bằng tần số cố định này. Do đó, sóng điện áp tạo thành dễ lọc. Sóng điều khiển một chiều có độ lớn tỉ lệ với điện áp trung bình trên tải. Xét bộ giảm áp Hình 4.1ab Gọi UpM là biên độ sóng mang răng cưa, udk là độ lớn sóng điều khiển một chiều; U điện áp nguồn một chiều không đổi. Từ giản đồ kích đóng S và các quá trình điến áp ở chế độ dòng liên tục, ta dễ dàng xác định hệ thức tính áp tải trung bình theo áp điều khiển:

pM

dkt U

uUU (16)

Phương pháp điều khiển với tần số sóng mang không đổi thường được sử dụng trong thực tiễn. 3.2. Điều khiển theo dòng điện tải yêu cầu

76

Trong trường tải động cơ một chiều, việc điều khiển momen động cơ thông qua điều khiển dòng điện(tỉ lệ với momen). Để hiệu chỉnh dòng điện trong phạm vi cho phép, ta có thể sử dụng phương pháp điều khiển theo dòng điện. Theo đó, công tắc S sẽ đóng ngắt sao cho dòng điện tải đo được và dòng điện yêu cầu có giá trị bằng nhau. Kỹ thuật điều khiển theo dòng điện được giải quyết như trong bộ nghịch lưu (Nghịch lưu áp có điều khiển) Ví du: Xét bộ giảm áp chứa mạch điều khiển với tần số đóng ngắt không đổi. Trong cấu trúc mạch điện điều khiển dòng điện sử dụng khâu hiệu chỉnh dòng điện Rt tín hiệu điện áp điều khiển tà ngõ ra của khâu hiệu chỉnh dòng điện sẽ đượ so sánh với sóng mang dạng răng cưa. Kết quả so sánh tạo thành xung kích đóng hoặc ngắt công tắ S. Hình 4.5

Trong cấu trúc mạch điều khiển sử dugn phần tử phi tuyến dạng mạch trễ Hình 4.6, dòng điện tải ipt được điều khiển với bộ sai biệt i so với dòng điện đặt (iye) . Độ lớn i thiết lập từ đặc tính mạch trễ. Khi i đủ nhỏ, mạch điều khiển tác động lên bộ biến đổi làm nó hoạt động như nguồn dòng điện. Tính chất này được áp dụng trong hệ thống chứa khâu hiệu chỉnh dòng điện. Tuy nhiên, mạch sẽ không điều khiển được khi độ sai biệt cho phép lớn hơn giá trị dòng điện yêu cầu. Do đó, hệ thống không hoạt động ở chế độ dòng điện gián đoạn.

77

TH: L¾p mạch sử dụng IC 555 đi ều khiển chuyển đổi điện áp từ 12 V lên 180 V

L¾p mạch sử dụng IC 555 đi ều khiển chuyển đổi điện áp từ 12 V lên 180 V

Bài 5: BỘ NGHỊCH LƯU VÀ BỘ BIẾN TẦN 1. Bộ nghịch lưu áp1 pha 1.1. Bộ nghịch lưu áp 1 pha không phần tử chuyển đổi

78

Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tuỳ ý. Nguồn áp vẫn là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế. Hơn nữa điện áp ra của nghịch lưu áp có thể điều chế theo phương pháp khác nhau để có thể giảm được sóng điều hoà bậc cao. Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất của các van động lực điều khiển hoàn toàn còn nhỏ. Hơn nữa việc sử dụng nghịch lưu áp bằng tiristo khiến cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp. Ngày nay công suất các van động lực như: IGBT, GTO càng trở lên lớn và có kích thước gọn nhẹ, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hoá trong các bộ biến tần công nghiệp. Do đó sơ đồ nghịch lưu áp được trình bày sau đây sử dụng van điều khiển hoàn toàn. Trong quá trình nghiên cứu ta giả thiết các van động lực là các khoá điện tử lý tưởng, tức là thời gian đóng và mở bằng không, nên điện trở nguồn bằng không. a, Sơ đồ Sơ đồ nghịch lưu áp một pha được mô tả trên hỉnh 4.1a. Sơ đồ gồm 4 van động lực chủ yếu là: T1, T2, T3, T4 và các điôt D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng của tải về lưới và như vậy tránh được hiện tượng quá áp ở đầu nguồn. Tụ C được mắc song song với nguồn để đảm bảo cho đầu vào là nguồn hai chiều (nguồn một chiều thường được cấp bởi chỉnh lưu chỉ cho phép dòng đi theo một chiều). Như vậy tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguòon áp (giá trị C càng lớn nội trở của nguồn càng nhỏ, điện áp đầu vào được san phẳng).

79

1T 3T

4T2T

1D 3D

4D2D

tZ

diti

tU

tiE

tU

ti

1 2 3 4

2,1Ti

2,1Di2,1Di4,3Di

i

0

0

0

Hình 4.1. Nghịch lưu áp cầu một pha và đồ thị

b, Nguyên lý làm việc + Xét thời điểm 0 ÷ (0 - 1 )

Cho xung vào khống chế từng cặp điode đóng mở T1T2 hoặc T3 T4 Cho xung kích mở T1 T2 sẽ có dòng qua tải là dòng xoay chiều Dòng qua T1T2 tạo sụt áp trên tải A(+) B (-) khi T1T2 dẫn UT1 = UT2 = 0 nên Utải = Uvào. + Xét thời điểm ÷ 2

Cho xung mở T3 T4, T1 T2 khóa nhưng T3 T4 chưa có dòng qua ngay vì dòng trên tải vẫn còn tồn tại do sđđ tự cảm sinh ra và vẫn chạy theo chiều (+)nguồn A tải B (-)nguồn.

Dòng qua D2D3 sẽ hoàn lại năng lượng cho nguồn, khi tải = 0 thì mới có dòng qua T3T4 ( IT3 = IT4) và có chiều như sau:

(+)nguồn B tải A (-)nguồn Kết quả là điện áp trên tải có chiều ngược A(-) B (+) nên Utải = - Uvào

Kết luận: Trong mạch đã được thực hiện chức năng từ điện áp một chiều đầu vào đã thành điện áp xoay chiều trên tải có dạng sin hoặc hình chữ nhật. được biểu diễn trên hình 4.1b.

80

Để tính chọn van cần tìm biểu thức dòng điện tải it, sử dụng phương pháp sóng điều hoà cơ bản: Phân tích dạng điện áp trên tải Ut ra chuỗi, ta có:

1kt 1k2

t)1k2sin(E4U (5.1)

Nếu chỉ lấy sóng điều hoà cơ bản thì:

tsinE4

U t

và )tsin(I)tsin(XR

E4i max

2t

2t

t

(5.2)

t

t

tt

R

Xarctg

L.X

Dòng trung bình qua van động lực là:

1

td)tsin(I2

1I mT (5.3)

Dòng trung bình qua điôt là:

1

0mD td)tsin(I

2

1I (5.4)

Trong thực tế người ta thường dùng nghịch lưu áp với phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) để giảm bớt kích thước của bộ lọc.

Sử dụng phương pháp sóng điều hoà cơ bản sẽ cho sai số khoảng 15%. Tuy nhiên khi chọn van thường người ta chọn hệ số dự trữ, nên kết quả tính toán là hợp lý và gọn nhẹ. Giá trị của tụ C được tính như sau:

)2ln21(UR3

T.EC

Ct

t

(5.5)

CU là biến thiên điện áp nguồn một chiều được tính theo đơn vị %:

Tt = Lt/Rt. 1.2. Mạch nghịch lưu áp một pha có chuyển đổi

81

a, Sơ đồ

L1C1; L2C2; L3C3; L4C4; là các mạch chuyển đổi b, Nguyên lý hoạt động Giả sử khi T1T2 mở lúc đó có dòng trên tải có chiều đi như sau:

(+)nguồn A tải B (-)nguồn Vì IT1; IT2 là một chiều nên điện áp sụt trên L1; L2 = 0 (L1, L2 chỉ có điện

trở thuần). Hay khi T1T2 dẫn điện áp trên mạch bằng không. Do đó điện áp đặt trên C1, C2 = 0, lúc này tụ C3, C4 đều nạp và đường nạp có chiều như sau:

(+)nguồn +C3 -C3 L2 T2 (-)nguồn (+)nguồn T31 L1 +C4 -C4 (-)nguồn

Khi tụ C3, C4 thì điện áp đặt trân tụ C3 = C4 = Uvào Đến thời điểm nào đó cho xung mở T3, T4 , có điện áp trên C3, C4 phân

cực thuận cho T3, T4 có xung trên nên T3, T4 dẫn và C3, C4 phóng điện. +C3 T3 L3 -C3 +C4 L4 T4 -C4

Do dòng phóng giảm dần cuộn L3, L4 sinh ra sức điện động cảm ứng với L2, L1 có chiều như hình vẽ làm T2, T1 khóa. Vậy T3, T4 mở nhờ có mạch chuyển đổi. 2. Nghịch lưu độc lập áp ba pha Sơ đồ nghịch lưu (hình 4.2) được ghép từ ba sơ đồ một pha có điểm trung tính. Để đơn giản hoá việc nghiên cứu ta giả thiết:

+ Van lý tưởng, đóng mở tức thì. + Nguồn có nội trở nhỏ vô cùng và dẫn điện theo hai chiều. + Van động lực cơ bản (T1, T2, T3, T4, T5, T6) làm việc với độ dẫn điện = 1800. + Za = Zb = Zc.

UD

C

C0

D1

D4

T1

T3 D3

RT

+

-

D2

T4 T2

A B

C4 C2

C3 C1

L1

L2

L3

L4

*

*

-

+

*

* +

+

+

82

E

+

-

C

1T

4T

3T

6T

5T

2T

1D

4D

3D

6D

5D

2D

aZ bZ cZ

Hình 4.2 Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha

Các điôt: D1, D2, D3, D4, D5, D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn. Tụ C đảm bảo nguồn là nguồn áp và để tiếp nhận năng lượng phản kháng từ tải.

Để đảm bảo cho điện áp ra ba pha đối xứng luật dẫn điện của các van phải tuân theo đồ thị như hình 4.3a, b, c. Như vậy: T1 và T4 dẫn điện lệch nhau 1800 và tạo ra pha A; T3 và T6 dẫn điện lệch nhau 1800 và tạo ra pha B; T2 và T5 dẫn điện lệch nhau 1800 và tạo ra pha . Các pha lệch nhau 1200. Dạng điện áp trên tải được xây dựng như sau:

+ Trong khoảng 0 t1: T1, T6, T5 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như ở hình 4.4a. Từ sơ đồ thay thế ta thấy UZA = E/3.

+ Trong khoảng t1 t2: T1, T2, T6 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như ở hình 4.4b: UZA = 2E/3. + Trong khoảng t2 t3: T1, T2, T3 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như ở hình 4.4c: UZA = 2E/3. Suy ra dạng điện áp rên các pha: UZA, UZB, UZC sẽ có dạng như trên hình

4.3d, e, f. Giá trị hiệu dụng của điện áp pha là:

E3

2d)(U

2

1U

2

0

2phapha

(5.6)

Suy ra: tsinE

3

2)t(U A (5.7)

)120 -sin(32)( 0tEtU B (5.8)

)120tsin(E3

2)t(U 0

C (5.9)

83

Từ các biểu thức (5.7), (5.8), (5.9) dễ dàng tìm ra dòng trên tải và xác định dòng trung bình qua van cũng giống như nghịch lưu áp một pha. 3. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp. Các bộ nghịch lưu áp thường điều khiển dựa theo ký thuật điều chế độ rộng xung PWM và quy tắc kích đóng đối nghịch. Quy tắc kích đóng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích đóng công tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải. Phương pháp điều biên Chỉ cần điện áp DC không đổi, phương pháp điều biên cần đòi hỏi điện áp nguồn DC điều khiển được. Độ lớn điện áp ra được điều khiển bằng cách điều khiển nguồn điện áp DC. Chẳng hạn dùng bộ chỉnh lưu có điều khiển hoặc kết hợp bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ biến đổi điện áp DC. Bộ nghịch lưu áp thực hiện chức năng điều khiển tấn số điện áp ra. Các công tắc trong cặp công tắc cùng pha tải được kích đóng với thời gian bằng nhau và bằng nửa chu kỳ áp ra. Vì thế mạch điều khiển thường đơn giản. Bộ nghịch lưu áp ba pha điều khiển theo biên độ còn gọi là bộ nghịch lưu áp 6 bước. Tần số áp đóng ngắt bằng tần số các linh kiện. Các thành phần sóng hài bội ba và bậc chẵn không xuất hiện trên áp dây cung cấp cho tải. Còn lịa các sóng hài (6k+1) k=1,2,3...cần khử bỏ bằng cách lọc sóng hài.

Hình 5.1a Hình 5.2b

Tải đấu dạng sao Dạng điện áp pha tải Ut1 có thể diểu diến dưới dạng Hình b

....7sin

715sin

51sin2

1 tttUut

Biên độ thành phần sóng hài bậc n của điện áp pha tải có thể xác định theo hệ thức

84

Un =

32cos

3cos2

32

nnnU ; n = 1,5,7,11,13,...

Với n = 1, biên độ thành phần sóng hài cơ bản ut1 = U2

Trị hiệu dụng điện áp pha có độ lớn

ut1 = UdxUdxUdxU32.

3.

32.

31 3

0

32

3 32

2.22

Tải đấu tam giác Điện áp tải ut2 có thể diểu diến dưới dạng

ut2 =

....

67sin

71

65sin

51

6sin32

tttU

Biên độ thành phần sóng hài bậc n của điện áp pha tải

Un =

6cos4

n

nU

Với n = 1, biên độ thành phần hài cơ bản điện áp tải ut2 =

32

Trị hiệu dụng điện áp pha có độ lớn

ut2 = UdxU32.1 3

2

0

2

Sóng hài bậc cao xuất hiện trong dạng điện áp tải khá cao, do đó hạn chế phạm vi sử dụng của phương pháp điều biên, nhất là ở tần số thấp. Nếu sử dụng thyristor kết hợp với chuyển mạch làm chức năng công tắc trong bộ chỉnh lưu áp nếu bộ chỉnh mạch làm việc phụ thuộc vào độ lớn nguồn áp một chiều, phương pháp điều biên rõ ràng không phù hợp để điều khiển điện áp tải trong phạm vi điện áp nhỏ. Ngoại trừ điều khiển theo biên độ đòi hỏi nguồn điện áp DC điều khiển được, các phương pháp dựa vào kỹ thuật PWM sử dụng nguồn điện áp DC không đổi. Trong trường hợp này nguồn DC có thể tạo nên từ lưới điện AC qua bộ chỉnh lưu không điều khiển và mạch lọc chứa tụ hoặc trực tiếp từ nguồn dự trữ dưới dạng pin, acquy. 4. Bộ nghịch lưu dòng điện 4.1. Bộ nghịch lưu dòng điện một pha không có phần tử chuyển đổi Sơ đồ nghịch lưu dòng một pha được trình bày trên hình 5.5 (sơ đồ cầu) và hình 5.6 (sơ đồ có điểm trung tính). Xét sơ đồ cầu: Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi tiristo T1, T2 thì lệch pha với tín hiệu đưa vào đôi tiristo T3, T4 một góc 1800.

85

Điện cảm đầu vào của chỉnh lưu đủ lớn (Ld = ), do đó dòng điện đầu vào được san phẳng (hình 5.7), nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng dòng điện của nghịch lưu có dạng xung vuông.

+

(+)(-)

+

dL

diCi

C

ZZi

Ni1T

4T

3T

2T

Hình 5.5. Sơ đồ cầu một pha

Ni

dI

T

di

Ci

Zi

1Ti2Ti

1Tu

kt

1t 1't

t

t

t

t

t

t

Hình 5.7. Biểu đồ xung của sơ đồ cầu một pha

Ci

1T 2T

dL

diC

1i

1W2W

1W

0C

tZbi

Hình 5.6 Sơ đồ cầu một pha có điểm trung tính

Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T2, dòng điện iN = id = Id, đồng thời dòng qua tụ C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu nạp điện với dấu “+” ở bên trái và dấu “-” ở bên phải. Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không. Do iN = iC + iz = Id = hằng số, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên. Sau một nửa chu kỳ (t = t1) người ta đưa xung vào mở cặp van T3, T4. Cặp T3, T4 mở tạo ra quá trình phóng điện của tụ C từ cực “+” về cực “-”. Dòng phóng ngược chiều với chiều dòng qua T1 và T2 sẽ làm cho T1, T2 bị khoá lại. Quá trình chuyển mạch xảy ra gần tức thời. Sau đó tụ C sẽ được nạp theo chiều ngược lại với cực tính “+’’ ở bên phải và cực tính “-’’ ở bên trái. Dòng nghịch lưu iN = id + iz = Id nhưng đã đổi dấu. Đến thời điểm t = t2, người ta đưa xung vào mở T1, T2 thì T3, T4 sẽ bị khoá lại và quá trình được lặp lại như trước. Nhờ vậy chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các tiristo. Ở thời điểm t1, khi

86

mở T3 và T4, tiristo T1 và T2 sẽ bị khoá lại bởi điện áp ngược của tụ C đặt lên (xem hình 4.7). Khoảng thời gian duy trì điện áp ngược t1 t1

’ = tk toff; toff là thời gian khoá của tiristo hay chính là thời gian phục hồi tính chất điều khiển. .tk = là góc khoá của nghịch lưu. * Lưu ý: Đối với nghịch lưu dòng điện, quan trọng nhất là quá trình chuyển mạch của tiristo. Phụ tải luôn ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch, do vậy để đảm bảo nghịch lưu làm việc tin cậy thì thời gian tk phải đủ lớn, tức là nguồn đầu vào phải luôn đảm bảo là nguồn dòng. 4.2. Nghịch lưu dòng điện có phần chuyển đổi a. Sơ đồ L = ổn định dòng vào L cuộn lọc để tăng dòng DC đầu vào để là hằng số. b, Nguyên lý hoạt động

- Khi cho xung vào mở T1 T2 (T3, T4 khóa) khi đó dòng qua tải có chiều như sau: (+)nguồn L T1 D1 R D2 T2 (-)nguồn. Chiều dòng điện đi từ A đến B. Lúc này tụ C1, C2 được nạp đường nạp của C1 và C2 như sau:

C1 nạp: (+)nguồn L T1 +C1 -C1 D3 D2 T2 (-)nguồn C2 nạp: (+)nguồn L T1 D1 D4 +C2 -C2 T2 (-)nguồn - Ở thời điểm tiếp theo đưa xung vào để mở T3, T4 ( T1 T2 khóa) khi đó

dòng qua tải có chiều như sau: (+)nguồn L T3 D3 R D4 T4 (-)nguồn. Chiều dòng điện

đi từ B đến A. Lúc này tụ C1, C2 phóng đường phóng của tụ của C1 và C2 như sau:

C1 phóng: +C1 D1 D4 (-)nguồn L T3 -C1 C2 phóng: +C2 T4 (-)nguồn L T3 D3 D2 -C2

UD

C

+

-

T2

T3

B

RT

L =

T4

T1

A

D1

D4

C1

D3

D2

C2

+

+

87

Vậy ta có ở thời điểm trước chiều dòng điện đi từ A đén B, thời điểm tiếp theo đi theo chiều ngược lại từ B đến A. Vậy dòng qua tải là dòng xoay chiều. 5. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu dòng Phương pháp điều chế độ rộng xung Phương pháp điều chế PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫm đếm sự thay đổi điện áp ra. PWM thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ băm xung áp, điều áp... cao hơn nữa nó còn được dùng để điều khiển ổn định tốc độ động cơ tham gia và điều chế các mạch nguồn như là : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha... Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay hoặc là sườn âm Các sơ đồ mạch PWM 555:

Các khái niệm của PWM vốn đòi hỏi thời gian. Hai 555 giờ IC và một số chiết áp có thể được sử dụng để tạo ra một tín hiệu PWM, và kể từ khi PWM cung cấp một kỹ thuật số, vào / ra khỏi tín hiệu, nó cũng dễ dàng để sử dụng một máy tính hoặc vi điều khiển để tạo ra các tín hiệu, tuy nhiên điều này là vượt ra ngoài phạm vi của bài viết này.

Mạch trong hình 2 sử dụng hai 555 IC và thực sự là một sự kết hợp của hai loại mạch. Đầu tiên là một multivibrator miễn phí chạy (astable) với một tần số có thể điều chỉnh khoảng 30Hz. Các đầu ra của mạch này sau đó gây ra một xung định hình (đơn ổn) mạch điều chỉnh độ rộng của xung. Mạch tạo ra một chu kỳ nhiệm vụ trong phạm vi khoảng 0,3% đến 97%.

88

Tốc độ của động cơ được điều khiển với một điện thế (điện trở biến). Nó có thể chạy một Meccano M5 động cơ để kiểm tra các mạch, và nó sẽ chạy từ chết vẫn còn tốc độ tối đa sử dụng điều khiển tốc độ điện thế và pin 6V là nguồn năng lượng duy nhất. Nếu bạn có một động cơ 12V, bạn có thể sử dụng một nguồn điện 12V.

Động cơ được bật và tắt thông qua một bóng bán dẫn TIP31C (thể hiện trong hình 3) có thể xử lý các động cơ được đánh giá lên đến 3A tại 100V hoặc điện một của 40W. Nếu bạn đang sử dụng một động cơ công suất cao, làm cho chắc chắn có một tản nhiệt bắt vít để bóng bán dẫn.

Lắp mạch điều khiển động cơ sử dụng IC 555

89

6. Biến tần gián tiếp, trực tiếp 6. 1Biến tần gián tiếp Bộ biến tần gồm các khâu: chỉnh lưu (CL), lọc (L) và nghịch lưu (NL). Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua khâu trung gian một chiều, do đó có tên gọi là biến tần gián tiếp.

CL L NL11 f,U 22 f,U+

-

+

-

Hình. Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp

Chỉnh lưu dùng để biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều, chỉnh lưu có thể là không điều khiển hoặc có điều khiển. Ngày nay đa số chỉnh lưu thường là chỉnh lưu không điều khiển, vì nếu điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi. Nói chung chức năng biến đổi tần số và điện áp một chiều được thực hiện bởi nghịch lưu thông qua bộ điều khiển. Trong các bộ biến tần công suất lớn, người ta dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi bị quá tải. Ngày nay biến tần gián tiếp được sử dụng khá phổ biến vì có thể điều chỉnh tần số và điện áp ra trong phạm vi khá rộng. Dễ dàng tạo ra các bộ nguồn (dòng, áp) theo mong muốn. Nghịch lưu được dùng trong biến tần thường là các mạch cơ bản đã nêu ở phạm vi trên.

90

Nhược điểm cơ bản của biến tần gián tiếp là hiệu suất thấp (vì qua hai lần biến đổi). Công suất cũng như kích thước của bộ biến đổi lớn. 6.2. Biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều, không thông qua khâu trung gian một chiều. Bộ biến tần gồm hai bộ chỉnh lưu nối song song ngược (hình 4.16). Các bộ chỉnh lưu này có thể là sơ đồ ba pha có điểm trung tính (hình 4.16a), sơ đồ cầu (hình 4.16b) hoặc các bộ chỉnh lưu nhiều pha. Số pha của bộ chỉnh lưu (m) càng lớn thì thành phần sóng điều hoàn bậc cao càng giảm.

ABC

11 u,f

1T 2T 3T 4T 5T 6T

tZ

I II

22 u,f

)a

11 u,f

CBL

CBL

1T

2T

3T

4T

5T

6TtZ

)b

7T 9T 11T

10T 12T 8T

22 u,f

2T2u

0

)d

t

2T

2u

0

1m/ 2/T1

)c

t

2T

2

2

i

u

0

Tt t Tt t

)eHì

nh 5.16. Biến tần trực tiếp: a) Sơ đồ có điểm trung tính; b) Sơ đồ cầu; c), d), e) Dạng điện áp ra với các luật điều khiển khác nhau

Nguyên lý làm việc của bộ biến tần như sau: Để đơn giản, giả thiết tải thuần trở, van là lý tưởng… Điện áp trên tải (u2) gồm hai nửa sóng dương và âm. Nửa sóng dương được tạo ra khi nhóm van I làm việc (T1, T2, T3), còn nửa sóng âm được tạo ra khi nhóm van II (T2, T4, T6) làm việc. Lần lượt đóng mở các nhóm van I và II, ta sẽ tạo ra trên tải một điện áp xoay chiều có giá trị:

91

cos

m

msinU2

u

1

1pha

2 (5.25)

trong đó: m1- số pha của điện áp lưới; - góc điều khiển của bộ chỉnh lưu.

Theo hình 4.20c ta có:

11

1

112

m

n

2

1T

m

Tn

2

T

2

T (5.26)

n = 0, 1, 2, 3 … Tần số của điện áp ra (f2) bao giờ cũng thấp hơn tần số lưới. Từ (4.26) suy ra:

1

112 mn2

mff

(5.27)

Tần số f2 theo biểu thức 4.27 được điều chỉnh có cấp. Để điều chỉnh f2 vô cấp, cần tạo ra thời gian trễ giữa hai bộ chỉnh lưu (góc ) (hình 4.16d) và như vậy tần số ra là:

11

112 m)mn2(

mff (5.28)

Khi bộ biến tần làm việc với tải trở hoặc động cơ điện, năng lượng tích luỹ ở tải có thể được trả về lưới. Lúc này bộ chỉnh lưu sẽ làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc. Nhóm I sẽ làm việc ở chế độ nghịch lưu cho khi điện áp trên tải mang dấu dương (hình 4.16e). Nếu chỉnh lưu mắc theo sơ đồ cầu (hình 4.16b) thì điện áp trên tải sẽ lớn gấp hai lần so với sơ đồ ba pha có điểm trung tính:

cos

m

msinU22

u

1

1pha

2 (5.29)

Xung điều khiển của hai nhóm van lệch nhau một góc 2/m1. Các bộ biến tần trên có hiệu suất thấp (vì điều chỉnh ) và điện áp có chứa nhiều thành phần sóng điều hoà bậc cao. Để loại thành phần bậc cao cần dùng bộ lọc. Nếu thay đổi góc của hai nhóm chỉnh lưu I và II theo quy luật nào đó thì điện áp ra có thể thay đổi theo bất cứ luật nào.

92

Để đảm bảo điện áp ra gần sin thì góc điều khiển (ở chế độ chỉnh lưu) và (chế độ nghịch lưu) cần thay đổi theo luật sau:

0m2

m2

2

U

UA

)tsinAarccos(

U2m – giá trị biên độ của điện áp ra trên tải, U2m0 – giá trị biên độ của điện áp ra trên tải ứng với trạng thái mở các tiristo hoàn toàn ( = 0); A = 1 khi luật điều chỉnh và là tuyến tính (hình 4.17).

2u2/T 2/T

0

2/

0

2/ 2/3 2 Hình 5.17. Luật điều khiển tuyến tính

Với luật điều khiển trên và m1 cũng như tỷ số f1/f2 đủ lớn, điện áp ra trên tải sẽ có dạng hình sin:

tsinm

sinm

U=)t(U 21

1m122

Đường cong điện áp ra sẽ có thành phần sóng điều hoà cơ bản với tần số f2. Các bộ biến tần trực tiếp có tần số ra nhỏ hơn tần số vào (f2 < f1) thường được sử dụng để điều khiển các động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc. Có hai phương pháp để tăng tần số ra của bộ biến tần sao cho f2 > f1: - Dùng bộ chuyển mạch cưỡng bức phụ: Phương pháp này làm giảm hiệu suất vì cần dùng thêm bộ biến đổi, nên ít được dùng trong thực tế. Do đó ở đây không trình bày phương pháp này. - Phương pháp dùng van điều khiển hoàn toàn là phương pháp có hiệu quả hơn cả. Sơ đồ dùng tranzito có dạng như ở hình 4.18a. Các van tranzito được mắc vào đường chéo của cầu điôt để làm cho nó trở thành khoá điện tử dẫn điện theo hai chiều.

93

Xung điều khiển được đưa vào tranzito sao cho phụ tải luôn được nối vào hai pha bất kỳ, tức là điện áp trên tải luôn là điện áp dây. Với luật điều khiển mô tả trên hình 5.18b, điện áp ra trên tải sẽ là đường cong xoay chiều có dạng khá phức tạp (đường nét đậm). Dễ dàng nhận thấy f2 > f1. Để tạo ra hệ ba pha, cần có ba sơ đồ như ở hình 5.17. Tuỳ thuộc vào thứ tự pha mà tần số ra được xác định như sau: f2 = fk f1 fk - tần số điều khiển van điện tử, f1- tần số lưới. Dấu (-) tương ứng với thứ tự pha thuận; dấu (+) tương ứng với thứ tự pha ngược. Giá trị hiệu dụng của điện áp ra được xác định theo biểu thức:

2md21m2 k1

6sin

2

U6k1

2

UU

Um1 – giá trị biên độ của sóng điều hoà bậc 1; Umd – giá trị biên độ của điện áp dây;

1S 1S22 )1S6(

1

)1S6(

1k là hệ số sóng điều hoà.

94

)f,u(Z 21N

)a

1T

2T

3T

4T

5T

6T

kf/1

1T

2T

3T

4T

5T

6T

u

0

kf

ABu CAu BCu ABu ACu

)b

)c

)d 0

Hình 5.18. a) Sơ đồ dùng tranzito; b) Luật điều khiển;

c) Dạng điện áp ra; d) Hàm chuyển mạch a, Biến tần nguồn dòng Biến tần nguồn dòng dùng chỉnh lưu có điều khiển, nghịch lưu thyristor. Ưu điểm loại này có sơ đồ đơn giản nhất là sử dụng loain thyristor với tần số không cao lắm.

95

* Sơ đồ Trên sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển cùng với cuộn cảm tạo nên nguồn dòng cấp cho nghịch lưu. Nghịch lưu ở đây là sơ đồ nguồn dòng. Hệ thống tụ chuyển mạch cách ly với tải qua hệ thống cách ly điode. Dòng ra nghịch lưu có dạng xung chữ nhật, điện áp ra có dạng sin nếu tải là động cơ.

Ưu điểm: Biến tần nguồn dòng không sợ chế độ ngắn mạch vì có hệ thống giữ dòng không đổi nhờ chỉnh lưu có điều khiển và cuộn kháng trong mạch một chiều. Với công suất nhỏ thì sơ đồ này không phù hợp vì hiệu suất kém và cồng kềnh nhưng đối với công suất trên 100kw thì đay là phương án rất hiệu quả.

Nhược điểm: Hệ số công suất thấp và phụ thuộc vào tải, nhất là khi tải nhỏ. b, Biến tần nguồn áp * Sơ đồ

M B

C1 +

Lo

T4

T1

D1

D4

T2

T5

D5

D2

T6

T3

D3

D6

+ C2

+ C3

+ +

C5

+ C6

C4

A C

B

A

C

B

ZA

D1

D4

T1

T4

A

ZB

D3

D6

T3

T6

ZC

D5

D2

T5

T2

C

UA UB UC

RT

C

A

B

C

96

Biến tần nguồn áp loại này dùng nghịch lưu nguồn áp với đầu vào một

chiều điều khiển được. Điện áp một chiều cung cấp có thể dùng chỉnh lưu có

điều khiển hoặc chỉnh lưu không điều khiển.

Biến tần nguồn áp có dạng điện áp ra xung chữ nhật , biên độ được điều

chỉnh nhờ thay đổi điện áp một chiều. Hình dạng và giá trị điện áp ra không phụ

thuộc tải.

* So sánh bộ biến tần trực tiếp và bộ biến tần gián tiếp Phạm vi hoạt động điện áp ra: tương đối nhỏ trong trường hợp bộ biến tần trực tiếp với qua trình chuyển mạch bên ngoài (từ 0 đến 25Hz) và khá cao trong trường hợp biến tần gián tiếp (vài chục đến vài ngàn Hz) Dạng sóng của điện áp ra: Thuận lợi hơn trong trường hợp bộ biến tần trực tiếp, đối với chúng ta có thể dùng các mạch điều khiển đơn giản để đạt được dòng điện tải gần như hình sin.

Phương pháp chuyển mạch: Rất thuận tiện đối với bộ biến tần trực tiếp. Do tác dụng của quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài trong các bộ biến tần trực tiếp với quá trình chuyển mạch phụ thuộc, ta có thể đạt công suất rất lớn hàng chục MW so với bộ biến tần gián tiếp với quá trình chuyển mạch độc lập(khoảng đơn vị MW). Quá trình chuyển mạch độc lập của bộ biến tần gián tiếp đòi hỏi ít chi tiết bán dẫn so với bộ biến tần trực tiếp. Chẳng hạn, bộ biến tần gián tiếp 3 pha gồm 12 SCR chính và các bộ chuyển mạch. Bộ biến tần trực tiếp 3 pha gồm các bộ chỉnh lưu 6 xung đòi hỏi đến 36 SCR.

Hệ số công suất: Tốt nhất trong bộ biến tần gián tiếp sử dụng phương pháp điều khiển độ xung rộng của điện áp ra (PWM). Mạch nghịch lưu

a. DC to AC dùng tranzitor

97

B. DC to AC dùng IC 555

98

XÁC NHẬN KHOA

Bài giảng mô đun “Điện tửu công suất” đã bám sát các nội dung trong chương trình môn học, mô đun. Đáp ứng đầy đủ các nội dung về kiến thức, kỹ năng, năng lực tự chủ trong chương trình môn học, mô đun. Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho mô đun Điện tử công suất thay thế cho giáo trình.

Người biên soạn ( Ký, ghi rõ họ tên)

Phạm Thị Huê

Lãnh đạo Khoa ( Ký, ghi rõ họ tên)