Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG THÁI NGUYÊN
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG
Bài giảng:
ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP
(Tài liệu lưu hành nội bộ)
Thái Nguyên, năm 2012
Hình 1.8. Đặc tính Vôn-Ampe của
Thyristor
i A
Iv
IG3 IG2 IG1
Idt
Dòng dò
Ung, max
Uthmax
Chương 1
CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN
I.1 THYRISTOR
Thyristor 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. Thyristor có ba cực Anode (A), Cathode (K), cực điều khiển (G – Gate) như
được biểu diễn trên hình 1.1.
I.1.1 Đặc tính Vôn-Ampe của Thyristor
Đặc tính Vôn-Ampe của một Thyristor gồm hai phần (hình 1.2). 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.
a) Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (IG = 0)
Khi dòng vào cực điều khiển của Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển
Thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa
Anode-Cathode. Khi điện áp UAK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của Thyristor, hai tiếp giáp
J1, J3 đều phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận, như vậy Thyristor sẽ giống như hai
diode mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua Thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất 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 Thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn. Giống
như ở đoạn đặc tính ngược của diode, lúc này nếu có giảm điện áp UAK xuống dưới
mức Ung.max thì dòng điện cũng không giảm được về mức dòng rò. Thyristor đã bị
hỏng.
Khi tăng điện áp Anode-Cathode 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 Anode-
Cathode vẫn có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực
Hình 1.7. Thyristor
Cấu trúc bán dẫn; Ký hiệu; Hình ảnh thực tế
np
n-
p
GK
A
K
J3
J1
J2
n
V
A
K
G
a)b)
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 mạch Anode-Cathode đột ngột giảm, dòng điện chạy
qua Thyristor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài. Nếu khi đó dòng qua
Thyristor lớn hơn một mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì Idt, thì khi đó Thyristor
sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận. Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính
chất dẫn dòng và phụ thuộc vào giá trị của phụ tải nhưng điện áp rơi trên Anode-
Cathode nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện.
b) Trường hợp có dòng điện vào cực điều khiển (IG > 0)
Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển (G) và Cathode, quá trình chuyển
điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, có Uth < Uth.max. Điều này
được mô tả trên hình 1.2 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.
Trong thực tế đối với mỗi loại Thyristor sẽ được chế tạo bởi một dòng điều
khiển định mức Iđk đm.
I.1.2 Mở - khoá Thyristor
Thyristor chỉ cho phép dòng chạy qua theo một chiều, từ Anode đến Cathode, và
không được chạy theo chiều ngược lại. Điều kiện để Thyristor có thể dẫn dòng, ngoài
điều kiện phải có điện áp UAK > 0 còn phải thỏa mãn điều kiện là điện áp điều khiển
dương. Do đó Thyristor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển.
a) Mở Thyristor
Khi được phân cực thuận, UAK > 0, Thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ
nhất, có thể tăng điện áp Anode-Cathode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn
nhất, Uth.max, điện trở tương đương trong mạch Anode-Cathode sẽ giảm đột ngột và
dòng qua Thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định. Phương pháp này trên thực
tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn.
Phương pháp thứ hai, phương pháp được áp dụng thực tế, là đưa một xung dòng
điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và Cathode. Xung dòng điện điều
khiển sẽ chuyển trạng thái của Thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức
điện áp Anode-Cathode nhỏ. Khi đó nếu dòng qua Anode-Cathode lớn hơn một giá trị
nhất định, gọi là dòng duy trì (Idt) thì Thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn
dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điểu khiển. Điều này nghĩa là có thể
điều khiển mở các Thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó
công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà
Thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện.
b) Khoá Thyristor
Một Thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa (điện trở tương đương mạch
Anode-Cathode tăng cao) nếu dòng điện giảm về không. Tuy nhiên để Thyristor vẫn ở
trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi điện áp Anode-Cathode lại dương ( 0AKU ),
cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất
cản trở dòng điện của Thyristor.
Khi Thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, hai lớp tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận,
các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân cực
ngược. Vì vậy mà dòng điện có thể chảy qua ba lớp tiếp giáp J1, J2, J3. Để khóa
Thyristor lại cần giảm dòng Anode-Cathode về không bằng cách hoặc là đổi chiều
dòng điện hoặc áp một điện áp ngược lên giữa Anode và Cathode của Thyristor. Sau
khi dòng về bằng không phải đặt một điện áp ngược lên Anode-Cathode ( 0AKU )
trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian khóa (ký hiệu là: rt ), lúc này
Thyristor sẽ khóa. Trong thời gian phục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa
Cathode và Anode. Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của
Thyristor. Thời gian phục hồi xác định dải tần số làm việc của Thyristor. Thời gian
phục hồi rt có giá trị cỡ 5 ÷ 10s đối với các Thyristor tần số cao và cỡ 50 ÷ 200s đối
với các Thyristor tần số thấp.
I.1.3 Các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển Thyristor
Quan hệ giữa điện áp trên cực điều khiển và Cathode với dòng đi vào cực điều khiển
xác định các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển Thyristor. Với cùng một loại Thyristor
nhà sản xuất sẽ cung cấp một họ đặc tính điều khiển (ví dụ như hình 1.3) trên đó có thể
thấy được các đặc tính giới hạn về điện áp và dòng điện nhỏ nhất ứng với một nhiệt độ
môi trường nhất định mà tín hiệu điều khiển phải đảm bảo để chắc chắn mở được
một Thyristor. Dòng điều khiển đi qua tiếp giáp p-n giữa cực điều khiển và Cathode
cũng làm phát nóng tiếp giáp này. Vì vậy tín hiệu điều khiển cũng phải bị hạn chế về
công suất. Công suất giới hạn của tín hiệu điều khiển phụ thuộc vào độ rộng của xung
điều khiển. Tín hiệu điều khiển là một
xung có độ rộng càng ngắn thì công suất
cho phép có thể càng lớn.
Sơ đồ tiêu biểu của một mạch
khuếch đại xung điều khiển Thyristor
được cho trên hình 1.4. Khóa Transistor T
được điều khiển bởi một xung có độ rộng
nhất định, đóng cắt điện áp phía sơ cấp
biến áp xung. Xung điều khiển đưa đến
cực điều khiển của Thyristor ở phía bên
cuộn thứ cấp. Như vậy mạch lực được
cách ly hoàn toàn với mạch điều khiển
bởi biến áp xung. Điện trở R hạn chế dòng qua Transistor và xác định nội trở của
nguồn tín hiệu điều khiển. Diode D1 ngắn mạch cuộn sơ cấp biến áp xung khi
Transistor T khóa lại để chống quá áp trên T. Diode D2 ngăn xung âm vào cực điều
khiển. Diode D3 mắc song song với cực điều khiển và có thể song song với tụ C có tác
dụng giảm quá áp trên tiếp giáp G-K khi Thyristor bị phân cực ngược.
Hình 1.3. Yêu cầu đối với xung
điểu khiển của Thyristor
Giới hạn dòng nhỏ nhất
Giới hạn công suất xung
Vùng mở chắc chắn
0,01ms
0,1ms
Giới hạn điện áp nhỏ nhất
G 0
00C
-100C
UGK
I.1.4 Các thông số cơ bản của
Thyristor
Các thông số cơ bản là các thông số
dựa vào đó ta có thể lựa chọn một
Thyristor cho một ứng dụng cụ thể nào
đó.
1/- Giá trị dòng trung bình cho phép
chạy qua Thyristor, Iv
Đây là giá trị dòng trung bình cho phép
chạy qua Thyristor với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của Thyristor
không vượt quá một giá trị cho phép. Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua
Thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường. Thyristor
có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn và làm mát tự nhiên. Ngoài ra,
Thyristor có thể phải được làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước để tải
nhiệt lượng toả ra nhanh hơn. Vấn đề làm mát van bán dẫn sẽ được đề cập đến ở phần
sau, ta có thể lựa chọn dòng điện theo các phương án sau:
Làm mát tự nhiên: dòng sử
dụng cho phép đến một phần ba
dòng Iv.
Làm mát cưỡng bức bằng
quạt gió: dòng sử dụng bằng hai
phần ba dòng Iv.
Làm mát cưỡng bức bằng
nước: có thể sử dụng 100% dòng
Iv.
2/- Điện áp ngược cho phép lớn
nhất, Ung.max
Đây là giá trị điện áp ngược lớn
nhất cho phép đặt lên Thyristor.
Tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa Anode-Cathode AKU luôn nhỏ hơn. Để đảm bảo
một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 đến 1,5
lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ đó.
3/- Thời gian phục hồi tính chất khóa của Thyristor, tr (s)
Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa Anode-Cathode của Thyristor
sau khi dòng Anode-Cathode đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp dương
mà Thyristor vẫn khóa. Thời gian phục hồi tr là một thông số rất quan trọng của
Thyristor, nhất là trong các bộ nghịch lưu độc lập, trong đó phải luôn đảm bảo rằng
thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5 đến 2 lần tr.
4/- Tốc độ tăng điện áp cho phép, dU
dt(V/s)
Hình 1.4. Sơ đồ tiêu biểu mạch khuếch đại
xung điều khiển tiristo
* *
BAX G
K
D2
uđkT D1 D3
RB
Tr2
C W1 W2
+Un
on
off
Hình 1.4. Sơ đồ tiêu biểu mạch khuếch đại
xung điều khiển tiristo
* *
BAX G
K
D2
uđkT D1 D3
RB
Tr2
C W1 W2
+Un
on
off
Thyristor được sử dụng như một phần tử có điều khiển, tức Thyristro được phân cực
thuận (UAK > 0) và có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng điện chạy qua.
Nhưng khi Thyristor được phân cực thuận chưa có Uđk thì phần lớn điện áp rơi trên
lớp tiếp giáp J2 như được chỉ ra trên hình 1.5.
Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược
nên độ dày của nó nở ra, tạo ra vùng
không gian nghèo điện tích, cản trở dòng
điện chạy qua. Vùng không gian này có
thể coi như một tụ điện có điện dung 2JC .
Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn,
dòng điện của tụ điện có giá trị đáng kể,
đóng vai trò như dòng điều khiển. Kết
quả là Thyristor có thể mở ra khi chưa có
tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G.
Tốc độ tăng điện áp là một thông số để phân biệt giữa Thyristor tần số thấp với
các Thyristor tần số cao. Ở Thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 v/s;
với các Thyristor tần số cao dU/dt có thể đạt 500 đến 2000 V/s.
5/- Tốc độ tăng dòng cho phép, dI
dt(A.s)
Khi Thyristor bắt đầu mở, không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nó
đều dẫn dòng đồng đều. Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm, gần với cực
điều khiển nhất, sau đó sẽ lan toả dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện. Nếu
tốc độ tăng dòng quá lớn có thể dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá
lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thể dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đến
hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn.
Tốc độ tăng dòng cũng phân biệt Thyristor tần số thấp, có dI/dt cỡ 50 ÷ 100
A/s, với các Thyristor tần số cao với dI/dt cỡ 500 ÷ 2000 A/s. Trong các ứng dụng
phải luôn đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới mức cho phép. Điều này đạt được nhờ mắc
nối tiếp các van bán dẫn với các cuộn kháng.
I.2 TRIAC
np
n-
p
GK
A
K
CJ2
J3
J1
J2
i=CJ2(du/dt)
n
Hình 1.5. Hiệu ứng dU/dt tác dụng như
dòng điều khiển
Hình 1.6. Triac: a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu;
c) Sơ đồ tương đương với hai Thyristor song song
ngược
G
n
nn
p
n
p
T2
T1 c)
T2
G
T1
b)a)
Triac là phần tử bán dẫn có cấu trúc bán dẫn gồm năm lớp, tạo nên cấu trúc p-n-p-n
như ở Thyristor theo cả hai chiều giữa các cực T1 và T2 như được thể hiện trên hình
1.16a. Triac có ký hiệu trên sơ đồ như trên hình 1.6b, có thể dẫn dòng theo cả hai
chiều T1 và T2. Về nguyên tắc, Triac hoàn toàn có thể coi là tương đương với hai
Thyristor đấu song song ngược như trên hình 1.6c.
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 Thyristor như được biểu diễn
trên hình 1.7a.
Triac có thể điều khiển mở dẫn
dòng bằng cả xung dòng dương (dòng đi
vào cực điều khiển) hoặc bằng xung
dòng âm (dòng đi ra khỏi cực điều
khiển). Tuy nhiên xung dòng điều khiển
âm có độ nhạy kém hơn. Nguyên lý thực
hiện điều khiển bằng xung dòng điều
khiển âm được biểu diễn trên hình 1.7b.
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.
I.3 THYRISTOR KHÓA ĐƯỢC Ở CỰC ĐIỀU KHIỂN, GTO
(Gate Turn - Off Thyristor)
Các GTO, như tên gọi của nó, nghĩa là khóa lại được bằng cực điều khiển, có
khả năng đóng cắt các dòng điện rất lớn, chịu được điện áp cao giống như Thyristor, là
một van điều khiển hoàn toàn, có thể chủ động cả thời điểm khóa 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.
Cấu trúc bán dẫn của GTO phức tạp
hơn so với Thyristor như được chỉ ra trên
hình 1.8. 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 đi ra khỏi cực điều khiển dùng để di
chuyển các điện tích ra khỏi cấu trúc bán dẫn của nó, để khóa GTO lại.
Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp p, Anode 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
n+
n+
n+
n
p
p+
n+
p+
n+
p+
n+
p+
G (Gate)
K (Cathode)
A (Anode)
V
A
K
G
J1
J2
J3
a) b)
Hình 1.8. GTO:
a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu
Hình 1.7. Triac: a) Đặc tính vôn-ampe
b) Điều khiển triac bằng dòng điều khiển âm
u
Iv
i(A)
(a)
Idt
Uth,maxUv,th0
T2
GT1
b)
-
+
R
khiển vẫn được nối vào lớp p thứ ba nhưng được chia nhỏ ra và phân bố đều so với lớp
n+
của Cathode.
Khi chưa có dòng điểu khiển, nếu Anode có điện áp dương hơn so với Cathode
thì toàn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J2 ở giữa, giống như trong cấu trúc của
Thyristor. Tuy nhiên nếu Cathode có điện áp dương hơn so với Anode thì tiếp giáp p+-
n ở sát Anode 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
Thyristor thường. Tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác nhau nên dòng duy trì ở GTO
cao hơn ở Thyristor 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
Thyristor 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 Cathode, vùng n+ đến Anode, vùng p
+, tạo nên dòng Anode. Bằng cách lấy đi một
số lượng lớn các điện tích qua cực điêu khiển, vùng dẫn điện sẽ bị co hẹp và bị ép về
phía vùng n+ của Anode và vùng n
+ của Cathode. Kết quả là dòng Anode sẽ bị giảm
cho đến khi bằng 0. Dòng điều khiển được duy trì một thời gian ngắn để GTO phục
hồi tính chất khóa.
Yêu cầu về xung điều khiển và
nguyên tắc thực hiện được thể hiện
trên hình 1.9. Hình 1.9a thể hiện xung
dòng khoá GTO phải có biên độ rất
lớn, vào khoảng 20 ÷ 25% biên độ
dòng Anode-Cathode. Một yêu cầu
quan trọng nữa là xung dòng điều
khiển phải có độ dốc sườn xung rất
lớn, sau khoảng 0,5 ÷1s. Điều này
giải thích tại sao nguyên lý thực hiện
tạo xung dòng khoá là nối mạch cực
điều khiển vào một nguồn dòng. Về nguyên tắc, nguồn dòng có nội trở bằng không và
có thể cung cấp một dòng điện vô cùng lớn.
Sơ đồ đơn giản trên hình 1.10
mô tả việc thực hiện nguyên lý điều
khiển trên. Mạch điện dùng hai khoá
Transistor T1, T2. Khi tín hiệu điều
khiển là 15V, T1 mở, dòng chạy từ
nguồn 15V qua điện trở hạn chế R1 nạp
điện cho tụ Cl tạo nên dòng chạy vào
Hình 1.10. Mạch điều khiển GTO
15V
0V
T1
T2
R1
+15V
DZ12V
C1
G
A
K
V
V
A
GK
Më Khãa
IG’max
IG
t
a) b)
Hình 1.9. Nguyên lý điều khiển GTO:
a) Yêu cầu dạng xung điều khiển;
b) Nguyên lý thực hiện
cực điều khiển của GTO. Khi tụ C1 nạp đầy đến điện áp của diode ổn áp Dz (12V),
dòng điều khiển kết thúc. Khi tín hiệu điều khiển đưa vào cực gốc T1, T2. T2 sẽ mở do
có điện áp trên tụ C1, tụ C1 bị ngắn mạch qua cực điều khiển và Cathode, Transistor T2
tạo nên dòng đi ra khỏi cực điều khiển, khoá GTO lại. Diode Dz ngăn không cho tụ C,
nạp ngược lại.
Ở đây vai trò của nguồn áp chính là tụ Cl, do đó tụ Cl Phải chọn là loại có chất
lượng rất cao. Transistor T2 phải chọn là loại chịu được xung dòng có biên độ lớn chạy
qua.
I.4 TRANSISTOR CÔNG SUẤT, BJT (Bipolar Junction Transistor)
Transistor 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
Transistor (BJT), vì dòng điện chạy
trong cấu trúc này bao gồm cả hai loại
điện tích âm và dương (Bipolar nghĩa là
hai cực tính). Transistor có ba cực:
Base (B), Collector (C) và Emitter (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 tính, hay còn gọi là chế độ khuếch đại, Transistor là phần tử
khuếch đại dòng điện với dòng Collector Ic bằng lần dòng Base (dòng điều khiển),
trong đó là hệ số khuếch đại dòng điện.
Ic = .IB
Tuy nhiên, trong điện tử công suất Transistor chỉ được sử dụng như một phần tử
khoá. Khi mở dòng điều khiển phải thỏa mãn điều kiện:
CB
II
hay C
B bh
II k
Trong đó kbh = 1,2 1,5 gọi là hệ số bão hoà. Khi đó Transistor sẽ ở trong chế
độ bão hòa với điện áp giữa Collector và Emitter rất nhỏ, cỡ 1 ÷ 1,5V, gọi là điện áp
bão hòa, .CE bhU .
Khi khoá, dòng điều khiển IB bằng không, lúc đó dòng Collector gần bằng
không, điện áp CEU sẽ lớn đến giá trị điện áp nguồn cung cấp cho mạch tải nối tiếp với
Transistor.
Tổn hao công suất trên Transistor bằng tích của dòng điện Collector với điện áp
rơi trên Collector-Emitter, 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 Collector-Emitter sẽ rơi chủ yếu trên vùng trở
n nn p
n-
n
E (Emitter)(Base)
C a) b)
C
E
B
B
Hình 1.11. BJT:
a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu
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. Transistor ở trong chế độ tuyến tính nếu 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 từ cực Base sẽ kích thích các điện tử từ tiếp giáp B-C thâm
nhập vào vùng Base, tại đây chúng được trung hòa hết. Kết quả là tốc độ trung hòa
quyết định dòng Collector tỷ lệ với dòng Base, c BI I . Transistor ở trong chế độ bão
hòa nếu cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực thuận. Các điện tử sẽ thâm
nhập vào đầy vùng Base, vùng p, từ cả hai tiếp giáp B-E và B-C, và nếu các điện tích
dương được đưa vào từ cực Base có số lượng dư thừa thì các điện tích sẽ không bị
trung hòa hết, kết quả là vùng Base sẽ trở nên vùng có điện trở nhỏ, dòng điện có thể
chạy qua. Cũng do tốc độ trung hòa điện tích không kịp nên Transistor 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 hòa. Cơ chế tạo ra dòng điện ở đây là sự thâm nhập
của các điện tích khác dấu vào vùng Base p, các điện tử, vì vậy BJT còn gọi là cấu trúc
với các hạt mang điện phi cơ bản, phân biệt với cấu trúc MOSFET, là cấu trúc với các
hạt mang điện cơ bản.
I.4.1 Đặc tính đóng cắt của Transistor
Chế độ đóng cắt của Transistor phụ thuộc chủ yếu vào các tụ ký sinh giữa các tiếp giáp
B-E và B-C, BEC và BCC . Ta phân tích quá trình đóng cắt của một Transistor qua sơ đồ
khoá trên hình 1.12a, trong đó Transistor đóng cắt một tải thuần trở Rt dưới điện áp
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
UB1
UB2
uB
UBE(t)
UB2
0,7V
uCE(t)
IB1(t)
IB2(t)
+Un
iB(t)
iC(t) IC,bh
Un-IC,bh.Rt
t
t
t
t
t
(b)
CBC
CBE
Rt
+Un
iC(t)
C
BE
uB(t)
UB1
UB2
iB(t)RB
(a)
H×nh 1.12. Qu¸ tr×nh ®ãng-c¾t
mét BJT
a/- S¬ ®å
b/- D¹ng sãng dßng, ¸p
nU điều khiển bởi tín hiệu điện áp từ 2BU đến
1BU và ngược lại. Dạng sóng dòng
điện, điện áp cho trên hình 1.12b.
a. Quá trình mở
Theo đồ thị ở hình 1.12, trong khoảng thời gian (1), BJT đang trong chế độ khoá với
điện áp ngược 2BU đặt lên tiếp giáp B-E. Quá trình mở BJT bắt đầu khi tín hiệu điều
khiển nhảy từ 2BU lên mức
1BU . Trong khoảng (2), tụ đầu vào, giá trị tương đương
bằng in BE BCC C C , nạp điện từ điện áp 2BU đến
1BU . Khi BEU còn nhỏ hơn không,
chưa có hiện tượng gì xảy ra đối với CI và
CEU . Tụ inC chỉ nạp đến giá trị ngưỡng mở
*U của tiếp giáp B-E, cỡ 0,6 ÷ 0,7V, bằng điện áp rơi trên diode theo chiều thuận, thì
quá trình nạp kết thúc. Dòng điện và điện áp trên BJT chỉ bắt đầu thay đổi khi BEU giá
trị không ở đầu giai đoạn (3). Khoảng thời gian (2) gọi là thời gian trễ khi mở, d on
t
của BJT.
Trong khoảng (3), các điện tử xuất phát từ Emitter thâm nhập vào vùng Base,
vượt qua tiếp giáp B-C làm xuất hiện dòng Collector. Các điện tử thoát ra khỏi
Collector càng làm tăng thêm các điện tử đến từ Emitter. Quá trình tăng dòng CI , EI
tiếp tục xảy ra cho đến khi trong Base đã tích lũy đủ lượng điện tích dư thừa BQ mà
tốc độ tự trung hòa của chúng đảm bảo một dòng Base không đổi:
1
1
*
B
B
B
U UI
R
Tại điểm cộng dòng điện tại Base trên sơ đồ hình I.12a, ta có:
1 . .B C BE C BC BI i i i
trong đó:
.C BEi là dòng nạp của tụ CBE,
.C BCi là dòng nạp của tụ CBC,
Bi là dòng đầu vào của Transistor, C Bi i
Dòng Collector tăng dần theo quy luật hàm mũ, đến giá trị cuối cùng là
1C BI ( ) = .I . Tuy nhiên chỉ đến cuối giai đoạn (3) thì dòng CI đã đạt đến giá trị bão
hòa, C.bhI , BJT ra khỏi chế độ tuyến tính và điều kiện C Bi i không còn tác dụng nữa.
Trong chế độ bão hòa cả hai tiếp giáp B-E và B-C đều được phân cực thuận. Vì khoá
làm việc với tải trở trên Collector nên điện áp trên Collector - Emitter CEV cũng giảm
theo cùng tốc độ với sự tăng của dòng CI . Khoảng thời gian (3) phụ thuộc vào độ lớn
của dòng 1BI , dòng này càng lớn thì thời gian này càng ngắn.
Trong khoảng (4), phần cuối của điện áp CEU tiếp tục giảm đến giá trị điện áp
bão hòa cuối cùng xác định bởi biểu thức:
. 1.CE n C bhU U I R
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 hòa.
b. Quá trình khoá BJT
Trong thời gian BJT ở trong chế độ bão hòa, điện tích tích tụ không chỉ trong lớp Base
mà cả trong lớp Collector.
Khi điện áp điều khiển thay đổi từ 1BU xuống
2BU ở đầu giai đoạn (6), điện tích
tích lũy trong các lớp bán dẫn không thể thay đổi tức thời. Dòng BI lúc này sẽ có giá
trị:
2
2
*
B
B
B
U UI
R
Lúc đầu các điện tích được di chuyển ra ngoài bằng dòng không đổi 2BI Giai
đoạn di chuyển kết thúc ở cuối giai đoạn (6) khi mật độ điện tích trong tiếp giáp Base-
Collector giảm về bằng không và sau đó tiếp giáp nay bắt đầu bị phân cực ngược.
Khoảng thời gian (6) gọi là thời gian trễ khi khoá, d offt .
Trong khoảng (7), dòng Collector CI bắt đầu giảm về bằng không, điện áp CEU
sẽ tăng dần tới giá trị nU . Trong khoảng này BJT làm việc trong chế độ tuyến tính,
trong đó dòng IC tỷ lệ với dòng Base. Tụ BCC bắt đầu nạp tới giá trị điện áp ngược,
bằng nU . Lưu ý rằng trong giai đoạn này, tại vùng Base trên sơ đồ hình 1.12a, ta có:
2 .B C BC BI I i
Trong đó: .C BCI là dòng nạp của tụ BCC ; Bi là dòng đầu vào của Transistor. Từ
đó có thể thấy quy luật .C BI i 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) Transistor mới khoá lại
hoàn toàn.
Trong khoảng (8), tụ Base-Emitter tiếp tục nạp tới điện áp ngược 2BU
Transistor ở chế độ khoá hoàn toàn trong khoảng (9).
c. Dạng tối ưu của dòng điều khiển khoá Transistor
Transistor có thể khoá lại bằng cách cho điện áp đặt giữa Base-Emitter bằng không,
tuy nhiên có thể thấy rằng khi đó thời gian khoá sẽ bị kéo dài đáng kể. Khi dòng
20BI , toàn bộ điện tích tích lũy trong cấu trúc bán dẫn của Transistor sẽ suy giảm
dần dần tới khi Transitor có thời gian khóa.
Có thể rút ngắn thời gian mở, khoá
Transistor bằng cách cưỡng bức quá trình di
chuyển điện tích nhờ dạng dòng điện điều khiển
như biểu diễn trên hình 1.13. Ở thời điểm mở,
dòng 1BI có giá trị lớn hơn nhiều so với giá trị
cần thiết để bão hòa BJT trong chế độ dẫn,
.bh CB on
I k I . Như vậy thời gian trễ khi mở B onI
Hình 1.13. Dạng dòng điện điều
khiển lý tưởng cho một khóa BJT
iB(t)
IB1
Kbh.ICt
và thời gian mở r on
t (khoảng (3) trên đồ thị hình 1.12b) sẽ được rút ngắn.
Dòng khoá 2BI cũng cần có biên độ lớn để rút ngắn thời gian trễ khi khoá
d offt và thời gian khoá
r offt (khoảng (7) trên đồ thị hình 1.12b).
Tuy nhiên, dòng BI cũng làm nóng các tiếp giáp trong BJT, vì vậy giá trị biên
độ của chúng cũng phải được hạn chế phù hợp theo các giá trị giới hạn cho trong các
đặc tính kỹ thuật của nhà sản xuất.
I.4.2 Đặc tính tĩnh của BJT và cách mắc sơ đồ Darlington
Đặc tính tĩnh của một BJT cho trên hình
l.14a và b. Đặc tính trên hình 1.14a biểu
diễn mối quan hệ giữa dòng Collector và
dòng Base ,C BI I , tại các điện áp UCE khác
nhau với vùng làm việc tuyến tính, và vùng
bão hoà. Với một dòng làm việc IC nào đó,
để có được điện áp rơi trên BJT nhỏ thì dòng
IB phải tương đối lớn. Độ nghiêng của
đường đặc tính điều khiển = IC/IB thể
hiện hệ số khuếch đại dòng điện. Có thể thấy
rằng hệ số khuếch đại dòng điện của BJT
công suất tương đối thấp, thông thường
10, điều này nghĩa là BJT yêu cầu dòng điều
khiển tương đối lớn. Hệ số khuếch đại dòng
điện giảm mạnh khi dòng làm việc lớn hơn.
Có thể giảm được dòng điều khiển nhờ cách
mắc Darlington.
Đặc tính ra, thể hiện trên hình 1.14b,
là mối quan hệ giữa dòng Collector và điện
áp Collector, UCE với IB là có ba giá trị điện
áp đánh thủng UCE0, UCB0, USUS. Các giá trị điện áp này được cho trong các đặc tính kỹ
thuật của nhà sản xuất. UCB0 là điện áp đánh thủng tiếp giáp Base-Collector khi hở
mạch Emitter. UCB0 là điện áp đánh thủng Collector - Emitter khi dòng điều khiển
bằng không. Có thể thấy UCE0 có giá trị lớn hơn điện áp
đánh thủng Collector-Emitter khi dòng điều khiển lớn
hơn không, USUS. Vì vậy để tăng khả năng chịu điện áp
của phần tử khi khoá phải đảm bảo rằng dòng điều
khiển IB bằng không. Nói chung điện áp làm việc phải
nhỏ hơn USUS.
Cách mắc sơ đồ Darlington
Nói chung các BJT có hệ số khuếch đại dòng điện
tương đối thấp, dẫn đến dòng điều khiển yêu cầu quá
5
UCE=200V
5
10 UCE=20V
UCE=5V
UCE=0,5V
UCE=0,2V
IB(A)
Vïng b·o hßa
B
C
I
I
10
IC(A)
0
Vïng tuyÕn tÝnh
CI
BI
IC
ChiÒu t¨ng IB
IB=0
Hë Emitter
UCEUCEOUCBOUSUS
Hình 1.14. Đặc tính tĩnh của BJT
a) Đặc tính điều khiển; b) Đặc tính ra
Hình 1.15. Tranzito mắc
Darlington
C
E
B1
B2
Q2
Q1
D1
lớn. Sơ đồ mắc Darlington là cách nối hai Transistor Q1, Q2 với hệ số khuếch đại dòng
tương ứng l, 2 như được biểu diễn trên hình 1.15, có hệ số khuếch đại dòng chung
bằng: = l.2. Để tăng hệ số khuếch đại dòng hơn nữa có thể mắc Darlington từ
ba Transistor. Người ta sản xuất các Transistor Darlington trong cùng một vỏ, trong đó
tích hợp diode D1 dùng để cưỡng bức quá trình khoá Q2.
Tuy nhiên cách nối Darlington làm cho điện áp rơi trên Collector-Emitter của
Transistor hợp thành lớn hơn so với trường hợp chỉ dùng một Transistor, nghĩa là tổn
thất trên phần tử khi dẫn dòng cũng lớn hơn. Điều này có thể được chứng tỏ qua sơ đồ
ở hình 1.15 vì điện áp giữa Collector-Emitter của mạch Darlington bằng:
UCE = UCE.Q1 + UBE.Q2
trong đó UBE.Q2 có giá trị không đổi khi Transistor dẫn dòng.
I.5 TRANSISTOR TRƯỜNG, MOSFET
(Metal-Oxlde-Semiconductor Field-Effect Transistor)
I.5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của MOSFET
Khác với cấu trúc BJT, MOSFET có
cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển
bằng điện áp với dòng điện điều khiển
cực nhỏ. Hình 1.16 a và b thể hiện cấu
trúc bán dẫn và ký hiệu của một
MOSFET kênh dẫn kiểu n. Trong đó
(G - Gate) là cực điều khiển được cách
ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn
lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng
có độ cách điện cực lớn đioxil-silic
(SiO2). Hai cực còn lại là cực gốc (S -
Source) và cực máng (D - Drain). Cực
máng là cực đón các hạt mang điện. Nếu kênh
dẫn là n thì các hạt mang điện sẽ là các điện tử
(electron), do đó cực tính điện áp của cực máng
sẽ là dương so với cực gốc. Trên ký hiệu phần
tử, phần chấm gạch giữa D và S để chỉ ra rằng
trong điều kiện bình thường không có một kênh
dẫn thực sự nối giữa D và S. Cấu trúc bán dẫn
của MOSFET kênh dẫn kiểu p cũng tương tự
nhưng các lớp bán dẫn sẽ có kiểu dẫn điện
ngược lại. Tuy nhiên đa số các MOSFET công
suất là loại có kênh dẫn kiểu n.
Trên Hình 1.17 mô tả sự tạo thành kênh dẫn
trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET. Trong chế
độ làm việc bình thường uDS > 0. Giả sử điện
áp giữa cực điều khiển và cực gốc bằng không,
p
n
nnnp
n-
Cùc gèc
(S – Source)
Cùc ®iÒu khiÓn
(G – Gate)
n
Cùc m¸ng
(D – Drain)
S
D
G
a) b)
Hình 1.16. MOSFET (kênh dẫn n)
a/- Cấu trúc bán dẫn; b/-Ký hiệu
Hình 1.17. Sự tạo thành kênh dẫn
trong cấu trúc MOSTET
p
n
nnn p
Vïng nghÌo ®iÖn tÝch
n-
n
pnnn
p
n-
n
Kªnh dÉn
p
n
nnn
p
n-
n
Diode trong
a)
n
b)
c)
uDS = 0, khi đó kênh dẫn sẽ hoàn toàn không xuất hiện. Giữa cực gốc và cực máng sẽ
là tiếp giáp p-n- phân cực ngược. Điện áp uDS sẽ hoàn toàn rơi trên vùng nghèo điện
tích của tiếp giáp này (hình 1.17a).
Nếu điện áp điều khiển âm, UGS < 0, thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển sẽ tích
tụ các lỗ (p), do đó dòng điện giữa cực gốc và cực máng sẽ không thể xuất hiện. Khi
điện áp điều khiển là dương, UGS > 0 và đủ lớn bề mặt tiếp giáp cực điều khiển sẽ tích
tụ các điện tử, và một kênh dẫn thực sự đã hình thành (hình 1.17b). Như vậy trong cấu
trúc bán dẫn của MOSFET, các phần tử mang điện là các điện tử, giống như của lớp n
tạo nên cực máng, nên MOSFET được gọi là phần tử với các hạt mang điện cơ bản,
khác với các cấu trúc của BJT, IGBT, Thyristor là các phần tử với các hạt mang điện
phi cơ bản. Dòng điện giữa cực gốc và cực máng bây giờ sẽ phụ thuộc vào điện áp
UDS.
Từ cấu trúc bán dẫn của MOSFET (hình 1.17c), có thể thấy rằng giữa cực máng
và cực gốc tồn tại một tiếp giáp p-n- tương đương với một diode ngược nối giữa D và
S. Trong các sơ đồ bộ biến đổi, để trao đổi năng lượng giữa tải và nguồn thường cần
có các diode ngược mắc song song với các van bán dẫn. Như vậy ưu điểm của
MOSFET là đã có sẵn một diode nội tại như vậy.
Trên Hình 1.18 thể hiện đặc tính tĩnh của một khoá MOSFET. Khi điện áp điều
khiển UGS nhỏ hơn một ngưỡng nào đó, cỡ 3V, MOSFET ở trạng thái khoá với điện
trở rất lớn giữa cực máng D và cực gốc S. Khi UGS cỡ 5 - 7V, MOSFET sẽ ở trong chế
độ dẫn. Thông thường điều khiển MOSFET bằng điện áp điều khiển cỡ 15V để làm
giảm điện áp rơi trên D và S. Khi đó UDS
sẽ gần như tỷ lệ với dòng ID.
Đặc tính tĩnh của MOSFET có thể
được tuyến tính hoá chỉ bao gồm hai
đoạn thể hiện hai chế độ khoá và dẫn
dòng như được thể hiện trên cùng hình
1.18. Theo đặc tính này dòng qua
MOSFET chỉ xuất hiện khi điện áp điều
khiển vượt qua một giá trị ngưỡng
UGS(th). Khi đó độ nghiêng của đường
đặc tính khi dẫn dòng đặc trưng bởi độ
dẫn:
D
m
GS
IG
U
Trong đó: UGS(th), gm là những thông số của MOSFET. Người ta có thể dùng giá
trị nghịch đảo của gm là điện trở thuận RDS(ON) để đặc trưng cho quá trình dẫn của
MOSFET.
I.5.2. Đặc tính đóng cắt của MOSFET
ID(A)
UGS
UDS=200V
5V 10V
5A
10A
UDS=10V
UDS=2V
DÉn dßng
UDS=1V
UDS=0,5V
0
Hình 1.18. Đặc tính tĩnh của
MOSFET
Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản, MOSFET có thể đóng cắt với tần số
rất cao. Tuy nhiên để có thể đạt được thời gian đóng cắt rất ngắn thì vấn đề điều khiển
là rất quan trọng. Cơ chế ảnh hưởng đến thời gian đóng cắt của MOSFET là các tụ
điện ký sinh giữa các cực.
Cực máng
Cực điều khiển
BJT ký
sinh
Cds
Cgd
Cgs
p p
n+
n+
n- Điôt
trong
Vùng nghèo
điện tích
n+
G (Gate) B (Base)
D (Drain)
S
CGS
CDS
CGD
RGintRDS(on)
D
Trên Hình 1.19a thể hiện các thành phần tụ điện ký sinh tạo ra giữa các phần
trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET. Tụ điện giữa cực điều khiển và cực gốc CGS
Phải được nạp đến điện áp UGS(th) trước khi dòng cực máng có thể xuất hiện. Tụ
giữa cực điều khiển và cực máng CGD có ảnh hưởng mạnh đến giới hạn tốc độ đóng
cắt của MOSFET. Hình 1.19b chỉ ra sơ đồ tương đương của một MOSFET và các tụ
ký sinh tương ứng.
Các tụ này thực ra có giá trị thay đổi tùy theo mức điện áp, ví dụ CGD thay đổi
theo điện áp UDS giữa giá trị thấp CGDI và giá trị cao CGDh như được chỉ ra trên hình
1.20.
a. Quá trình mở
Giả sử ta xét quá trình mở MOSFET,
làm việc với tải trở cảm, có diode không. Đây
Hình 1.19. Mô hình một khóa MOSFET
a/- Các thành phần tụ ký sinh giữa các lớp bán dẫn trong cấu trúc MOSFET;
b/- Mạch điện tương đương
Hình 1.20. Sự phụ thuộc của
tụ điện CGD vào điện áp UDS
UDS=UGS
CGDI
CGD
UDS
UDD
CGD
CGS
CDS
D
D
S
DriverIG
Rdr
RGint
G
IGS
IGD
RGext
Hình 1.21a. Sơ đồ quá trình
mở một MOSFET
là chế độ làm việc tiêu biểu của các khóa bán dẫn. Sơ đồ và đồ thị dạng dòng điện,
điện áp của quá trình mở MOSFET được thể hiện trên hình 1.21a và hình 1.21b. Tải
cảm trong sơ đồ thể hiện bằng nguồn dòng nối song song ngược với diode dưới điện
áp một chiều UDD. MOSFET được điều khiển bởi đầu ra của vi mạch DRIVER dưới
nguồn nuôi UCC nối tiếp quang điện trở RGext. Cực điều khiển có điện trở nội RGint. Khi
có xung dương ở đầu vào của DRIVE, ở đầu ra của nó sẽ có xung với biên độ UP đưa
đến trở RGext.
Như vậy UGS sẽ tăng với hằng số thời gian xác định bởi:
T1 = (Rdr + RGext + RGint).(CGS + CGDI)
Trong đó tụ CGD đang ở mức thấp, CGD1 do điện áp UDS đang ở mức cao.
Theo đồ thị, trong khoảng thời gian từ 0 đến t1, tụ (CGS + CDSI) được nạp theo
quy luật hàm mũ tới giá trị ngưỡng UGS(th). Trong khoảng này cả điện áp UDS lẫn dòng
ID đều chưa thay đổi. td(on) = t1 gọi là thời gian trễ khi mở. Bắt đầu từ thời điểm t1 khi
UGS đã vượt qua giá trị ngưỡng, dòng cực máng ID bắt đầu tăng, tuy nhiên điện áp UDS
vẫn giữ nguyên ở giá trị điện áp nguồn UDD.
Trong khoảng t1 đến t2, dòng ID tăng tuyến tính rất nhanh, đạt đến giá trị dòng
tải. Từ t2 trở đi, khi UGS đạt đến mức, gọi là mức Miller, điện áp UDS bắt đầu giảm
rất nhanh. Trong khoảng từ t2 đến t4, điện áp UGS bị găm ở mức Miller, do đó dòng IG
cũng có giá trị không đổi. Khoảng này gọi là khoảng Miller. Trong khoảng thời gian
này,
dòng
điều
khiển
là dòng
phóng
cho tụ CGD
để giảm
nhanh
điện
áp giữa
cực máng
và cực
gốc UDS.
Hình 1.21b. Quá trình mở
một MOSFET
(Đồ thị dòng điện, điện áp)
UP
Udr
UGS
UthMøc Miller
UDS
iG(t)
uDS(t)
IG
ID
iD(t)
t1 t2 t30
UDS(on)
t
t
t
t
t
t4
)21.()(T
t
eP
UtGS
U
A
1
A
2
UP
Udr
UGS
Uth Møc Miller
)11.()(T
t
eP
UtGS
U
UDS
iG(t)
uDS(t)
IG
ID
iD(t)
t1 t2 t30
UDS(o
n)
t
t
t
t
t
Hình 1.22. Quá trình mở một
MOSFET dưới ảnh hưởng của
quá trình phục hồi diode
(Đồ thị dòng điện, điện áp)
Sau thời điểm t4, UGS lại tăng tiếp tục vợi hằng số thời gian:
T2 = (Rdr + RGext + RGin) (CGS + CGDh)
Vì lúc này tụ CGD đã tăng đến giá trị cao CGDh (hình 1.20). UGS sẽ tăng đến giá
trị cuối cùng, xác định giá trị thấp nhất của điện áp giữa cực gốc và cực máng, UDS =
IDS.RDS(on).
Trên đồ thị ở hình 1.21, A1 đặc trưng cho điện tích nạp cho tụ (CGS + CGD) trong
khoảng t1 đến t2, A2 đặc trưng cho điện tích nạp cho tụ CGD trong khoảng t2 đến t4.
Nếu coi diode không D không phải là lý tưởng thì quá trình phục hồi của diode
sẽ ảnh hưởng đến dạng sóng của sơ đồ như chỉ ra trong hình 1.22, theo đó dòng ID có
đỉnh nhô cao ở thời điểm t2 tương ứng với dòng ngược của quá trình phục hồi diode D.
b. Quá trình khoá MOSFET
Dạng sóng của quá trình khoá thể hiện trên hình 1.23. Khi đầu ra của vi mạch điều
khiển Driver xuống đến mức không UGS bắt đầu giảm theo hàm mũ với hằng số thời
gian T2 = (Rdr + RGext + RGint).(CGS + CGDh) từ 0 đến t1. Tuy nhiên sau thời điểm t3 thì
hằng số thời gian lại là:
T1 = (Rdr + RGext + RGint).(CGS + CGDI).
Từ 0 đến t1 là thời gian trễ khi khoá td(off), dòng điều khiển phóng điện cho tụ
CGS và tụ CGD. Sau thời điểm t, điện áp USD bắt đầu tăng từ ID.RDS(on) đến giá trị cuối
cùng tại t3, trong khi đó dòng ID vẫn giữ nguyên mức cũ. Khoảng thời gian từ t2 đến t3
tương ứng với mức Miller, dòng điều khiển và điện áp trên cực điều khiển giữ nguyên
giá trị không đổi. Sau thời điềm t3 dòng ID bắt đầu giảm về đến không ở thời điềm t4.
Từ t4 MOSFET bị khoá hẳn.
c. Các thông số thể hiện khả năng đóng cát của MOSFET
Như vậy thời gian trễ khi mở, khi khoá phụ thuộc giá trị các tụ ký sinh CGS.CGD.CDS,
tuy nhiên các thông số kỹ thuật của MOSFET thường được cho dưới dạng các trị số tụ
CISS, CRSS, COSS dưới những điều kiện nhất định như điện áp UDS, UGS. Có thể tính ra
các tụ ký sinh như sau:
CGD = CRSS
CGS = CISS - CRSS
CDS = COSS - CRSS
Có thể tính các giá trị trung bình cho các tụ CGD và CDS với điện áp làm việc
tương ứng theo công thức gần đúng sau đây:
CGD = 2(CRSS.làm việc).(UDS.làm việc /UDS.off)1/2
COSS = 2(COSS.làm việc).(UDS.làm việc /UDS.off)1/2
Để xác định công suất của mạch điều khiển MOSFET, các tài kiệu kỹ thuật
thường cho thông số điện tích nạp cho cực điều khiển QG (đơn vị: Culông (C)) dưới
Hình 1.23. Quá trình
khóa MOSFET
a/- Sơ đồ
b/- Dạng sóng
+UDD
CGD
CGS
CDS
D
D
S
DriverIG
RdrRGint
G
IGS
IGDUCC
RGext
điện áp khi khoá giữa cực máng và cực gốc. UDS(off) nhất định. Khi đó công suất mạch
điều khiển được tính bằng:
Pđiều khiển = UCC.Qg.fgw
trong đó: fgw là tần số đóng cắt của MOSFET.
Tổn hao công suất do quá trình đóng cắt trên MOSFET được tính bằng:
w w off
1
2g DS D onP U I f t t
trong đó ton, toff là thời gian mở và khoá của MOSFET, tương ứng là các khoảng thời
gian từ t1 đến t4 trên đồ thị dạng sóng các quá trình mở - khoá.
I.6. TRANSISTOR CÓ CỰC ĐIỀU KHIỂN CÁCH LY, IGBT
(Insulated Gate Bipolar Transistor)
I.6.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
IGBT là phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải
lớn của Transistor thường. Về mặt điều khiển, IGBT gần như giống hoàn toàn
MOSFET, nghĩa là được điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu
cực nhỏ. Hình 1.24 giới thiệu cấu trúc bán đẫn của một IGBT.
Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm
lớp p nối với Collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa Emitter (tương tự cực gốc)
với Collector (tương tự với cực máng), không phải là n-n như ở MOSFET (hình
1.24b). Có thề coi IGBT tương đương với một Transistor p-n-p với dòng Base được
điều khiển bởi một MOSFET (hình 1.24b và c).
Dưới tác dụng của điện áp điều khiển UGE > 0, kênh dẫn với các hạt mang điện
là các điện tử được hình thành, giống như ở cấu trúc MOSFET. Các điện tử di chuyển
về phía Collector vượt qua lớp tiếp giáp n--p như ở cấu trúc giữa Base và Collector ở
Transistor thường tạo nên dòng Collector.
I.6.2. Đặc tính đóng cắt của IGBT
Hình 1.24. IGBT
a) Cấu trúc bán dẫn; b) Cấu trúc tương đương với một tranzito
n-p-n và một MOSFET; c) Sơ đồ tương đương; d) Ký hiệu
C
E
E
G
i1 i2 G
C
E
G – (Gate)
n n n np p
n+
p
C - (Collector)
n n n npp
n+
p
i2
c) d)a) b)
E – (Emitter)
Do có cấu trúc p-n--p mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn dòng ở IGBT
thấp hơn so với ở MOSFET. Tuy nhiên cũng do cấu trúc này mà thời gian đóng cắt
của IGBT chậm hơn so với MOSFET. đặc biệt là khi
khóa lại. Trên hình 1.24b và c thể hiện cấu trúc
tương đương của IGBT với một MOSFET và một p-
n-p Transistor. Ký hiệu dòng qua IGBT gồm hai
thành phần: i1 là dòng qua MOSFET, i2 là dòng qua
Transistor. Phần MOSFET trong IGBT có thể khóa
lại nhanh chóng nếu xả hết được điện tích giữa G và
E, do đó dòng il sẽ bằng không. Tuy nhiên thành
phần dòng i2 sẽ không thể suy giảm nhanh được do
lượng điện tich tích lũy trong lớp n- (tương đương
với Base của cấu trúc p-n-p) chỉ có thể mất đi do quá trình tự trung hòa điện tích. Điều
này dẫn đến xuất hiện vùng dòng điện bị kéo dài khi khóa một IGBT. Ta sẽ kháo sát
quá trình mở và khóa một IGBT theo sơ đồ thử nghiệm cho trên hình 1.25. Trên sơ đồ
IGBT đóng cắt một tải cảm có diode không Do
mắc song song. IGBT được điều khiển bởi nguồn
tín hiệu với biên độ UG nối với cực điều khiến G
qua điện trở RC. Trên sơ đổ Cgc, Cgc thể hiện các tụ
ký sinh giữa cực điều khiển và Collector, Emitter.
a. Quá trình mở IGBT
Quá trình mở IGBT diễn ra rất giống với quá trình
này ở MOSFET khi điện áp điều khiển dầu vào
tăng từ không đến giá trị UG. Trong thời gian trễ
khi mở td(on) tín hiệu điều khiển nạp điện cho tụ
CGC làm điện áp giữa cực điều khiển và Emitter
tăng theo quy luật hàm mũ, từ không đến giá trị
ngưỡng UGE(th) (khoảng 3 đến 5V), chỉ bắt đầu từ
đó MOSFET trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu
mở ra. Dòng điện giữa Collector - Emitter tăng
theo quy luật tuyến tính từ không đến dòng tải Io
trong thời gian tr. Trong thời gian tr điện áp giữa cực điều khiển và Emitter tăng đến
giá trị UGEto xác định giá trị dòng I0 qua Collector. Do diode D0, còn đang dẫn dòng tải
I0, nên điện áp UCE vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn một chiều Udc. Tiếp theo quá
trình mở diễn ra theo hai giai đoạn, tfv1 và tfv2. Trong suốt hai giai đoạn này điện áp
giữa cực điều khiền giữ nguyên ở mức UGEIo (mức Miller), để duy trì dòng I0, do dòng
điều khiển hoàn toàn là dòng phóng của tụ Cgc. IGBT vẫn làm việc trong chế độ tuyến
tính. Trong giai đoạn đầu diễn ra quá trình khóa và phục hồi của diode D0, dòng phục
hồi của diode D0 tạo nên xung dòng trên mức dòng I0 của IGBT. Điện áp UCE bắt đầu
giảm. IGBT chuyển điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến tính để sang vùng bão hòa.
Giai đoạn hai tiếp diễn quá trình giảm điện trở trong vùng thuần trở của Collector,
t(µs)
t(µs)
t(µs)
UCE
Ic
Udc
UCE.on
td(on)
tr tfv1 tfv2
t(µs)
ton
GU
0.GE IU
.GE thU
GEU
0I
Hình 1.26. Quá trình mở IGBT
Diode
D0
phục
hồi
Tổn hao
khi mở
Hình 1.25. Sơ đồ thử nghiệm
một khóa IGBT
Udc
+
-
UG
+
-
RG
Cgc
Cge
D
D0I0
dẫn đến điện trở giữa Collector - Emitter về
đến giá trị Ron khi khóa bão hòa hoàn toàn.
UCE.on = I0.Ron.
Sau thời gian mở ton, khi tụ Cgc đã
Phóng điện xong, điện áp giữa cực điều
khiển và Emitter tiếp tục tăng theo quy luật
hàm mũ, với hằng số thời gian bằng CgcRG
đến giá trị cuối cùng UG.
Tổn hao năng lượng khi mở được tính
gần đúng bằng:
0
2 dc
on on
U .IQ t
Nếu tính thêm ảnh hưởng của quá
trình phục hồi của diode D0 thì tổn hao năng
lượng sẽ lớn hơn do xung dòng trên dòng
Collector.
b. Quá trình khóa
Dạng điện áp, dòng điện của quá trình khoá
thể hiện trên hình 1.27. Quá trình khóa bắt đầu khi diện áp điều khiển giảm từ UG
xuống -UG. Trong thời gian trễ khi khóa td(off) chỉ có tụ đầu vào Cge phóng điện qua
dòng điều khiển đầu vào với hằng số thời gian bằng CgeRG, tới mức điện áp Miller. Bắt
dầu từ mức Miller điện áp giữa cực điều khiển và Emitter bị giữ không đổi do điện áp
Ucc bắt đầu tăng lên và do đó tụ Cgc bắt đầu được nạp điện. Dòng điều khiển bây giờ sẽ
hoàn toàn là dòng nạp cho tụ Cgc nên điện áp UGE được giữ không đổi. Điện áp Ucc
tăng từ giá trị bão hòa Ucc.on tới giá trị điện áp nguồn Udc sau khoảng thời gian trV. Từ
cuối khoảng trV diode D0 bắt đầu mở ra cho dòng tải I0 ngắn mạch qua, do đó dòng
Collector bắt đầu giảm. Quá trình giảm diễn ra theo hai giai đoạn, tfi1 và tfi2. Trong giai
đoạn đầu, thành phần dòng i1 của MOSFET trong cấu trúc bán dẫn IGBT suy giảm
nhanh chóng về không. Điện áp UGC ra khỏi mức Miller và giảm về mức điện áp điều
khiến ở đầu vào -UG với hằng số thời gian:
RG(Cgc + Cgc)
Ở cuối khoảng tfi1, Ugc đạt mức ngưỡng khóa của MOSFET. UGE(th) tương ứng
với việc MOSFET bị khóa hoàn toàn. Trong giai đoạn hai, thành phần dòng i2 của
Transistor p-n-p bắt đầu suy giảm. Quá trình giảm dòng này có thể kéo rất dài vì các
điện tích trong lớp n- bị mất đi do quá trình tự trung hòa điện tích tại chỗ. Đó là vấn đề
đuôi dòng điện đã nói đến ở phần trên.
Tổn hao năng lượng trong quá trình khóa có thể tính gần đúng bằng:
Qoff = 0
2
dcU .I
toff
t(µs)
t(µs)
t(µs)
UGE
UG
UCE
-UG
UGE(th)
UGE.Io
Ic
Udc
I0
UCE.on
i1
i2
trv tfi1tfi2
toff
td(off)
t(µs)
Tæn hao
khi khãa
Hình 1.27. Quá trình khoá IGBT
Lớp n- trong cấu trúc bán dẫn của IGBT giúp giảm điện áp rơi khi dẫn, vì khi đó
số lượng các điện tích thiểu số (các lỗ) tích tụ trong lớp này làm giảm điện trở đáng
kể. Tuy nhiên các điện tích tích tụ này lại không có cách gì di chuyển ra ngoài một
cách chủ động được, làm tăng thời gian khóa của phần tử. Ở đây công nghệ chế tạo bắt
buộc phải thoả hiệp. So với MOSFET, IGBT có thời gian mở tương đương nhưng thời
gian khóa dài hơn, cỡ 1 đến 5 s.
Thời gian khóa của IGBT có thế rút ngắn nếu thêm vào một lớp đệm n+ như
trong cấu trúc Punch Through IGBT như minh họa trên hình 1.28. Cấu trúc này có một
Thyristor ký sinh lạo từ ba tiếp giáp bán dẫn p-n, J1. J2, J3. Trong cấu trúc này mật độ
các điện tích dương, các lỗ, suy giảm mạnh theo hướng từ các lớp p+ đến n
- đến n
+,
điều này giúp quá trình tự trung hòa các điện tích dương trong lớp n- xảy ra nhanh hơn.
Công nghệ này tạo ra các IGBT cực nhanh với thời gian khóa nhỏ hơn 2 s.
I.6.3. Vùng làm việc an toàn, SOA (Safe Operating Area)
Vùng làm việc an toàn của các phần tử bán dẫn công suất, SOA, được thể hiện dưới
dạng đồ thị quan hệ giữa giá trị điện áp và dòng điện lớn nhất mà phần tử có thể hoại
động được trong mọi chế độ, khi dẫn, khi khóa cũng như trong quá trình đóng cắt SOA
của IGBT có dạng như được biểu diễn trên hình 1.29.
Hình 1.29 thể hiện SOA của IGBT trong hai trường hợp. Hình 1.29a là SOA
khi điện áp đặt lên cực điều khiển và Emitter là dương, hình 1.29b là SOA khi điện áp
này là âm. SOA khi điện áp điều khiển dương có dạng hình chữ nhật với hạn chế ở góc
phía trên, bên phải, tương ứng với chế độ dòng điện và điện áp lớn. Điều này nghĩa là
khi chu kỳ đóng cắt càng ngắn, ứng với tần số làm việc càng cao, thì khả năng dòng
cắt công suất càng phải được suy giảm. SOA khi đặt điện áp điều khiển âm lên cực
điều khiển và Emitter lại bị giới hạn ở vùng công suất lớn do tốc độ tăng điện áp trên
Collector - Emitter khi IGBT khóa lại. Đó là vì khi tốc độ tăng điện áp quá lớn sẽ dẫn
đến xuất hiện dòng điện lớn đưa vào vùng p của cực điều khiển, tác dụng giống như
dòng điều khiển làm IGBT mở trở lại như tác dụng đối với cấu trúc của Thyristor. Tuy
SiO2
Cùc ®iÒu khiÓn
pj1
n+n+
j2
j3 n+
n-
p+
Cùc gèc
Vïng th©n
Vïng Base
Líp ®Öm
Líp ph¸t sinh ®iÖn tÝch
Cùc m¸ng
Hình 1.28. Cấu trúc bán dẫn của một IGBT cực nhanh
(Punch Through IGBT)
nhiên khả năng chịu đựng tốc độ tăng áp ở IGBT lớn hơn nhiều so với ở các phần tử
bán dẫn công suất khác.
Giá trị lớn nhất của dòng Collector ICM được chọn sao cho tránh được hiện
tượng chết giữ dòng, không khóa lại được, giống như ở Thyristor. Hơn nữa, điện áp
điều khiển lớn nhất UGE cũng phải được chọn để có thể giới hạn được dòng điện ICE
trong giới hạn lớn nhất cho phép này trong điều kiện sự cố ngắn mạch, bằng cách
chuyển bắt buộc từ chế độ bão hòa sang chế độ tuyến tính. Khi đó dòng ICE được giới
hạn không đổi, không phụ thuộc vào điện áp UCE lúc đó. Tiếp theo IGBT phải được
khóa lại trong điều kiện đó, càng nhanh càng tốt để tránh phát nhiệt quá mãnh liệt.
Tránh được hiện tượng chốt giữ dòng bằng cách liên tục theo dõi dòng Collector là
điều cần phải làm khi thiết kế điều khiển IGBT.
I.6.4. Yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển IGBT
IGBT là phần tử điều khiển bằng điện áp, giống
như MOSFET, nên yêu cầu điện áp điều khiển liên
tục trên cực điều khiển và Emitter đế xác định chế
độ khóa, mở. Mạch điều khiển cho IGBT có yêu
cầu tối thiểu như được biểu diễn qua sơ đồ trên
hình 1.30. Tín hiệu mở có biên độ UCE, tín hiệu
khóa có biên độ -UCE cung cấp cho mạch G-E qua
điện trở RG. Mạch G-E được bảo vệ bởi diode ổn áp ở mức khoảng ± 18 V. Do có tụ
ký sinh lớn giữa G và E nên kỹ thuật điều khiển như điều khiển MOSFET có thể
được áp dụng, tuy nhiên điện áp khóa phải lớn hơn. Nói chung tín hiệu điều khiển
thường được chọn là +15 và -5V là phù hợp. Mức điện áp âm khi khóa góp phần giảm
tổn thất công suất trên mạch điều khiển như được minh họa trên hình 1.31a.
Điện trở RG cũng ảnh hưởng đến tổn hao công suất điều khiển như được minh
họa trên đồ thị hình 1.31b. Điện trở RG nhỏ, giảm thời gian xác lập tín hiệu điều khiển,
giảm ảnh hưởng của dUCE/dt, giảm tốn thất năng lượng trong quá trình điều khiển,
nhưng lại làm mạch điều khiển nhạy cảm hơn với điện cảm ký sinh trong mạch điều
khiển.
Hình 1.29. Vùng làm việc an toàn của IGBT:
a) Khi điện áp điều khiển dương; b) Khi điện áp điều khiển âm
ICM
ICThêi gian ®ãng c¾t
VCE
10-5
s
10-4
s
DC
ICM
ICGiíi h¹n do tèc ®é
t¨ng ®iÖn ¸p
VCE
dt
dV CE
1000 s
2000 s
3000 s
Hình 1.30. Yêu cầu đối với
tín hiệu điều khiển
Q2
Q1
RG
18VIGBT
+UGE
-UGE
UG
Dòng điều khiển đầu vào phải cung cấp được dòng điện có biên độ bằng:
IG.max = CE
G
U
R
Trong đó: UGE = UGE(on) + GE(off)
U
Tốn hao công suất trung bình có thể tính bằng biểu thức: P = UGE.QG.fsw
Trong đó: QG (mili Culông, mC) là điện tích nạp cho tụ đầu vào, giá trị thường được
cho trong tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất; fsw là tần số đóng cắt của IGBT.
1.6.5. Vấn đề bảo vệ IGBT
IGBT thường được sử dụng trong các mạch nghịch lưu hoặc các bộ biến đổi xung áp
một chiều, trong đó áp dụng các quy luật biến điệu khác nhau và thường yêu cầu van
đóng cắt với tần số cao, từ 2 đến hàng chục kHz. Ở tần số đóng cắt cao như vậy.
Những sự cố xảy ra có thề phá hủy phần tử nhanh chóng. Sự cố thường xảy ra nhất là
quá dòng do ngắn mạch từ phía tải hoặc từ các phần tử có lỗi do chế tạo hoặc do lắp
ráp. Vì vậy vấn đề bảo vệ cho phần tử là nhiệm vụ cực kỳ quan trọng đặt ra.
Đối với IGBT ta có thể ngắt dòng điện bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá
trị âm. Tuy nhiên quá tải dòng điện có thể đưa IGBT ra khỏi chế độ bão hòa dẫn đến
công suất phát
nhiệt tăng lên
đột ngột, phá
hủy phần tử sau
vài chu kỳ đóng
cắt. Mặt khác
khi khóa IGBT
lại trong một
thời gian rất
ngắn khi dòng
điện lớn dẫn đến
tốc độ tăng dòng
dI/dt quá lớn gây Hình 1.32. Các chức năng trong mạch tích hợp điều khiển IGBT
(IRZI37 của International Rectifier )
Desat Fault
ChuyÓn m¹ch mÒm
High side Gate
HOP
LOP
SSD
US
R
quá áp trên Collector - Emitter, lập tức đánh thủng lớp tiếp giáp này. Rõ ràng là, trong
sự cố quá dòng, không thể tiếp tục điều khiển IGBT bằng những xung ngắn theo quy
luật biến điệu như cũ và cũng không thể chỉ đơn giản là ngắt xung điều khiển để dập
tắt dòng diện được. Vấn đề ngắt dòng đột ngột không chỉ xảy ra trong chế độ sự cố mà
còn xảy ra khi tắt nguồn hoặc khi dừng hoạt động, nghĩa là trong chế độ vận hành bình
thường.
Có thể ngăn chặn hậu quả của việc tắt dòng đột ngột bằng cách sử dụng các
mạch dập RC (snubber circuit), mắc song song với phần tử. Tuy nhiên các mạch dập
làm tăng kích thước và làm giảm đồ tin cậy của thiết bị. Giải pháp tích cực hơn được
đưa ra ở đây là làm chậm lại quá trình khóa của IGBT, hay còn gọi là khóa mềm (soft
turn-off), khi phát hiện có sự cố dòng điện tăng quá mức cho phép. Trong trường hợp
này điện áp trên cực điều khiển và Emitter được giảm đi từ từ về đến điện áp âm khi
khóa. IGBT sẽ chuyển về trạng thái khóa qua chế độ tuyến tính, do đó dòng diện bị
hạn chế và giảm dần về không, tránh được quá áp trên phần tử. Thời gian khóa của
IGBT có thể được kéo dài 5 đến 10 lần thời gian khóa thông thường.
Có thể phát hiện quá dòng bằng cách dùng các phần tử đo dòng điện tuyến tính
như xen xơ Hall hoặc các mạch đo dòng điện trên shunt dòng. Tuy nhiên đối với IGBT
có thể phát hiện quá dòng sử dụng tín hiệu điện áp trên Collector - Emitter. Khi có tín
hiệu mở nếu UCE lớn hơn mức bão hòa thông thường UCE.bh < 5V chứng tỏ IGBT ra
khỏi chế độ bão hòa do dòng điện quá lớn. Một số vi mạch optocoupler được chế tạo
sẵn cho mục đích phối hợp giữa tín hiệu điều khiển và phát hiện chưa bão hòa ở IGBT,
hơn nữa lại cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển. Ngày nay chức năng phát xung
và bảo vệ IGBT đã được tích hợp trong các IC chuyên dụng, tạo thuận lợi lớn cho các
nhà thiết kế. Ví dụ về một mạch tích hợp như vậy, IRZI37 của International Rectifier
được cho trên hình 1.32.
Trên hình 1.32 có thể thấy cực điều khiển của
IGBT được cung cấp ba tín hiệu điều khiển qua ba
điện trở, tín hiệu mở qua HOP, tín hiệu khóa qua
LOP, tín hiệu khóa mềm qua SSD. Hiệu chỉnh các
điện trở này có thể hiệu chỉnh được các thời gian
điều khiển tương ứng. Tín hiệu DESAT được lấy qua
phân áp giữa Collector.và Emitter qua diode nối với
Collector, đưa qua mạch lọc phối hợp với tín hiệu
điều khiển khóa, mở, qua mạch NAND đưa ra tín
hiệu chưa bão hòa (Desal Fault). Qua mạch xử lý
logic (không thể hiện ở đây ) tín hiệu khóa mềm
có thể được đưa đến MOSFETđiều khiển mạch khóa
mềm (soft shutdown) với điện trở đưa đến cực điều khiền cỡ 500, lớn hơn 10 lần
so với mạch khóa, mở.
Hình 1.33. Khoá mềm bằng
IR2137
Tác dụng của mạch khóa mềm được minh họa
qua đồ thị thực tế trên hình 1.33. Đường trên cùng là
hình dạng tín hiệu điều khiển, đường cong ở giữa là
điện áp UCE, đường cong dưới cùng là dạng dòng
điện. Có thể nhận ra không có quá áp trên đường
cong điện áp nhưng IGBT làm việc trong chế độ
tuyến tính. trong suốt thời gian T khi dòng điện giảm
dần về không.
Quá điện áp xảy ra khi van bị khóa lại tức
thời như được minh họa trên hình 1.34. Trên hình
1.34 đường cong bên trên là dòng điện, bên dưới là
điện áp. Khi van mở ra thì bị quá tải nên điện áp lại tăng lên. Sau đó van bị khóa lại
tức thời dẫn đến xung quá điện áp, trong trường hợp này là khoảng 100V, trên đường
cong điện áp.
I.7. TỔN HAO CÔNG SUẤT TRÊN CÁC PHẦN TỬ
BÁN DẪN CÔNG SUẤT
Ngoài tổn thất do mạch điều khiển sinh ra đã đề cập đến ở những phần tử cụ thể nói
trên. Ta sẽ phân tích các thành phần tổn thất trong các chế độ làm việc của van sau
đây.
Bảng 1.1. Thông số cực đại của các phần tứ bán dẫn công suất do
Misubishi công bố
Chủng loại van bán dẫn công suất Khả năng đóng cắt cực đại
Điot công suất 2,8 kV; 3,5 kA
Điot đóng cắt nhanh 6,0 kV; 3,0 kA
Thyristor thường 12,0 kV; 1,5 kA
Thyristor tần số cao 1,2 kV; 1,5 kA
Thyristor điều khiển bằng diode quang 8,0 kV; 3,6 kA
GTO 6,0 kV; 6,0 kA
GCT Thyristor 4,5 kV; 4,0 kA
IGBT điện áp cap (HVIGBT) 3,3 kV; 1,2 kA
Module công suất lớn (HVIPM) 3,3 kV; 1,2 kA
I.7.1 Tổn thất trong chế độ tĩnh đang dẫn dòng hoặc đang khóa
Khi phần tử đang ở trong chế độ dẫn dòng hoặc đang khóa tổn hao công suất bằng tích
của dòng điện qua phần tử với điện áp rơi trên nó. Khi phần tử đang khóa, điện áp trên
nó có thể lớn nhưng dòng rò qua van sẽ có giá trị rất nhỏ, vì vậy tổn hao công suất có
thể bỏ qua. Tổn hao công suất trong chế độ tĩnh chủ yếu sinh ra khi van dẫn dòng. Với
đưa số các phần từ bán đẫn, điện áp rơi trên van khi dẫn thường không đổi, ít phụ
IC
UCE
IC: 40A/ô; UCE: 100V/ô; t: 2s/ô;
Hình 1.34. Quá áp sinh ra
do khóa tức thời
thuộc vào giá trị dòng điện chạy qua. Như vậy có thể dễ dàng xác định được tổn hao
công suất trong trạng thái van dẫn.
I.7.2 Tổn thất trong quá trình đóng cắt
Trong quá trình dòng cắt, công suất tổn hao tức thời có thể có giá trị lớn vì dòng điện
và điện áp trên van đều có thể có giá trị lớn đồng thời. Nói chung, thời gian dòng cắt
chỉ chiếm một phần nhỏ trong cả chu kỳ hoạt động của phần tử nên tổn hao công suất
trong chế độ đóng cắt chỉ chiếm một phần nhỏ trong công suất tổn hao trung bình. Tuy
nhiên khi phần tử phải làm việc với tần số đóng cắt cao thì tổn hao do đóng cắt lại
chiếm một phần chính trong công suất phát nhiệt.
Xác định công suất tổn hao trong chế độ đóng cắt là nhiệm vụ không đơn giản,
vì phải phân biệt các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đóng cắt do đó ảnh hưởng đến
tổn hao công suất. Để ví dụ ta sẽ xét các thành phần tổn hao công suất cho sơ đồ bộ
biến đổi xung áp một chiều dùng MOSFET nh trên hình 1.41.
I.7.2.1 Tổn hao do thời gian mở và khóa
Giả sử trong sơ đồ diode là phần tử lý tưởng,
còn MOSFET mở, khóa với thời gian hữu hạn.
Với tải trở cảm, dòng điện iv(t) và điện áp uV(t)
không thể thay đổi tức thời. Dạng dòng và áp
trong quá trình khóa thể hiện trên hình 1.36.
Trong thời gian chuyển mạch rất ngắn
dòng tải chưa kịp thay đổi và có giá trị it = It,
trong khoảng thời gian t0 < t < t2. Tại t0, có tín
hiệu khóa MOSFET V, diện áp trên V tăng
tuyến tính từ không đến giá trị điện áp nguồn một chiều E trong khoảng từ t0 đến t1.
Trong khoảng này diode D0 chưa mở nên dòng qua V vẫn bằng It. Bắt đầu từ t1 diode
D0 mở ra, do đó dòng qua V giảm tuyến tính về 0 ở thời điểm t2, tại đó dòng qua diode
D0 tăng lên đến bằng dòng tải.
Tổn hao công suất tức thời trên V bằng pv(t) = iv(t)/uv(t) có dạng tam giác trong
khoảng t0 < t < t2. Tổn hao năng lượng trên V chính là diện tích của tam giác này:
Woff = 1
2EIt(t2 - t1) =
1
2EIttoff
Trong đó: toff là thời gian khóa của MOSFET.
Trong quá trình mở, đồ thị dòng điện,
điện áp trên các phần tử có dạng giống như ở
hình 1.36. Dòng qua V phải tăng từ 0 đến It,
dòng qua diode giảm từ It về 0. Chỉ khi dòng
qua diode đã về đến 0 thì điện áp trên V mới
E
RG
t
+
-
+ -VG
0
L
D0
ViV
Rt
it
iD0
Hình 1.35. Bộ biến đổi xung áp
một chiều, dùng MOSFET.
Hình 1.36. Dạng sóng quá trình
van khóa trong sơ đồ ở hình 1.35
t
t
t
uV(t)
It
iV(t)
E
0
-EW
t0t1 t2
It
uV(t) iV(t)
W
0DU t
0DI t
0DU t 0DI t
0
0
bắt đầu giảm từ E về đến 0. Năng lượng tổn hao khi mở bằng:
Won = 1
2EItton
Trong đó: ton là thời gian mở của van.
Tổng tổn hao công suất trong quá trình đóng cắt bằng Woff + Won. Nếu chu kỳ
hoạt động của van là T ứng với tần số đóng cắt của van là: = 1./T
thì công suất tổn hao sẽ bằng:
Ps = 1
T(Woff + Won) = f(Woff + Won)
Như vậy tổn hao công suất tỷ lệ với tần số đóng cắt.
I.7.2.2 Tổn hao do quá trình phục hồi
Ở phần trên ta giả sử rằng diode là phần tử lý tưởng mà chỉ xét đến tổn hao công suất
do thời gian khóa, mở của MOSFET gây ra.
Với giả thiết thời gian đóng cắt của
MOSFET rất ngắn so với thời gian khóa lại
của diode thì tổn thất công suất sẽ chủ yếu
do quá trình phục hồi của diode sinh ra.
Vẫn với sơ đồ trên hình 1.35, ta xét quá
trình MOSFET khóa lại. Dạng sóng của
quá trình này biểu diễn trên hình 1.37.
Khi diode khóa sẽ có một dòng điện
ngược đi ra ngoài. Biên độ dòng điện
ngược có thể lớn gấp vài lần giá trị dòng
điện diode dẫn trước đó. Trên đồ thị, tại
thời điểm t0 MOSFET bắt đầu mở ra làm
diode D0 bắt đầu khóa lại. Dòng điện ngược
của diode tạo nên xung dòng trên giá trị It
qua van V. Trong khoảng t0 đến t1 diode
vẫn còn phân cực thuận nên điện áp trên van V vẫn bằng E. Tại t1 dòng.qua diode bằng
0, diode bắt đầu bị phân cực ngược. Từ tl đến t2 dòng điện ngược của diode nạp cho tụ
tương đương của tiếp giáp p-n phân cực ngược. Điện áp trên van V giảm dần về 0 tại
t2, tại đó diode khóa lại hoàn toàn.
Khoảng thời gian từ tl đến t2 gọi là thời gian phục hồi của diode, tr.Những diode
có khoảng thời gian t2 - tl nhỏ hơn nhiều lần khoảng t1 - to gọi là diode dập, hay diode
cắt nhanh. Nếu thời gian cắt dòng của diode rất ngắn thì thời gian đóng cắt của các
phần tử cũng sẽ rất nhanh. Tuy nhiên nếu tốc độ giảm dòng quá nhanh sẽ dẫn đến quá
điện áp trên các điện cảm ký sinh, và do đó, cho các phần tử trong mạch. Quá điện áp
có thể được suy giảm bằng các mạch RC song song với phần tử (snubber circuit),
nhưng các mạch này lại tăng thêm các tổn thất trên sơ đồ. Nói chung phải có một sự
t
uV(t)
It
0
0
0
-E
W
t0 t1 t2
uV(t) iV(t)
W
iV(t)
E
t
t
0DU t
0DI t
0D
I t
0DU t
Hình 1.37. Tổn hao công suất
do diode phục hồi
thỏa hiệp giữa mong muốn giảm tổn thất trong quá trình đóng cắt và độ an toàn cho
các phần tử trên sơ đồ.
Tổn thất năng lượng trong quá trình mở van V được tính bằng:
2
0
t
v v
t
W u t i t dt
Nếu dùng diode cắt nhanh thì (t2 - tl) << (t1 - t0), từ đó tích phân này có thể được
tính đơn giản hơn. Coi điện áp trên van V bằng E trong phần lớn thời gian phục hồi tr
= t2 - t0), dòng qua van iV(t) = It - ID0(t), do đó:
2
0
t
V t
t
W E (I iV(t)dt = E.Ittr + E.Qr
trong đó Qr là điện tích phục hồi của diode, giá trị này có thể tìm thấy trong đặc tính
kỹ thuật của diode.
Tổn thất năng lượng do thời gian phục hồi của diode phụ thuộc thời gian phục
hồi tr của diode và điện áp một chiều của bộ biến đổi. Năng lượng này có thể chiếm
một phần lớn trong tổn thất do quá trình đóng cắt. Tổn hao này có thế giảm đáng kể
nếu sử dụng các diode cắt nhanh, tuy nhiên khi đó phải áp dụng các biện pháp để tránh
quá áp cho các phần tử trong sơ đồ.
I.7.2.3. Tốn hao do các phần tử phản kháng
Các phần tử phản kháng như tụ điện, điện cảm cũng gây nên tổn thất công suất. Tụ
điện tương đương song song với các phần tử sẽ phóng điện khi các phần tử này mở ra
và tiêu tán toàn bộ năng lượng tích lũy trước đó. Các tụ đó được nạp không mất năng
lượng khi phần tử khóa lại. Các điện cảm nối tiếp với phần tử sẽ được nạp năng lượng
khi phần tử mở ra và tiêu tán năng lượng đó khi phần tử khóa lại.
Năng lượng lích lũy trong tụ điện và điện cảm tương ứng là:
21
2C i i
i
W C U ; 21
2L i i
i
W L I
Ví dụ đối với MOSFET, ta có tụ điện tương đương giữa cực máng và cực gốc là
CDS, còn diode song song có tụ là CD. Tổn hao công suất khi MOSFET mở ra sẽ là:
Wc = 1
2; (CDS + CD) E
2
Nếu biết các thông số liên quan đến tụ điện tương
đương của phần tử, ta có thể xác định được các thành
phần tổn hao công suất trên.
Điện cảm nối tiếp với các phần tử có thể là điện
cảm dây nối, điện cảm thêm vào để giảm tốc độ tăng
dòng. Các điện cảm này gây nên quá điện áp khi phần tử
khóa lại. Chúng cũng là nguyên nhân gây nên tổn hao
công suất, nhất là trong những ứng dụng có dòng điện rất
lớn.
Hình 1.38. Sơ đồ mô tả tổn
hao công suất trên điện cảm
khi diode mở và khóa
+
-e(t)
C
iD(t)
iL(t)
L
D
Để ví dụ, ta xét sơ đồ trên hình 1.38, trong đó e(t) là nguồn xung áp chữ nhật lý
tưởng. Dạng dòng điện, điện áp trên các phần tử cho trên hình 1.39. Nguồn áp e(t) lúc
đầu có giá trị dương làm Diode phân cực thuận diode mở cho dòng qua cuộn cảm tăng
tuyến tính với độ dốc E1/L. Tại thời điểm t = ti điện áp e(t) trở nên âm, dòng it(t) bắt
đầu giảm với độ dốc -E2/L. Đến t = t2, dòng qua diode bằng 0 nhưng trong tiếp giáp
p-n vẫn còn tích lũy một diện tích Qr. Diode vẫn còn phân cực thuận đến thời điểm t =
t do đó dòng qua cuộn cảm vẫn tiếp tục giảm với độ dốc -E2/L. Bắt đầu từ thời điểm t3,
điện tích tích lũy trong diode đã hết diode bắt
đầu phân cực ngược. Dòng ngược sẽ nạp cho tụ
C tới điện áp nguồn -E2. Từ t3 dòng qua cuộn
cảm phải chạy qua tụ C, tạo nên mạch dao động
nối tiếp, do đó dòng có dạng hình sin tắt dần:
Quá trình phục hồi của diode gây nên
tốn hao trên sơ đồ.
Trong khoảng t2 < t < t3 điện tích phục hồi
bằng: Qr = 3
2
t
L
t
i (t)dt
Điện tích này liên quan trực tiếp đến
năng lượng tích lũy trong cuộn cảm L:
WL = 3
2
t
L L
t
u (t)i (t)dt
Trong khoảng này điện áp trên cuộn cảm
bằng -E2, vậy ta có:
WL =3
2
t
L L
t
u (t)i (t)dt = 3
2
2
t
L
t
( E ) i (t)dt =
= E2Qr
Như vậy năng lượng trên cuộn cảm L tỷ lệ với tích của điện áp trên cuộn cảm
với điện tích phục hồi của diode. Khi t > t3, năng lượng chỉ trao đổi trong mạch dao
động tạo bởi cuộn cảm và tụ. và sẽ tắt dần do tiêu tán trên điện trở dây quấn và tốn hao
trên tụ.
I.8 LÀM MÁT CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT
Tổn hao công suất, bằng tích của dòng điện chạy qua phần tử với điện áp rơi trên phần
tử, tỏa ra dưới dạng nhiệt trong quá trình làm việc. Nhiệt lượng tỏa ra tỷ lệ với giá trị
trung bình của tổn hao công suất. Trong quá trình làm việc, của bán dẫn phải luôn ở
dưới một giá trị cho phép (khoảng 120oC đến 150
oC theo đặc tính kỹ thuật của phần
tử), vì vậy nhiệt lượng sinh ra cần phải được dẫn ra ngoài, nghĩa là đòi hỏi phải có quá
trình làm mát các phần tử bán dẫn.
I.8.1. Mô hình truyền nhiệt
Hình 1.39.Dạng dòng điện, điện áp
của sơ đồ 1.38
-E2
t0
iL(t)
0
0
-E2
t
t
t1 t2 t3
uD(t)
E1
e(t)
Nhiệt truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp. Nhiệt lượng trao đổi, PT
tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ theo hệ số, gọi là trở kháng truyền nhiệt RT. Theo đó:
2
i
T
T
T TP
R, trong đó đơn vị tương ứng là: PT [w]; T [
oC]; RT [
oC/w].
Sự cân bằng nhiệt xảy ra khi nhiệt lượng phát sinh bằng nhiệt lượng tỏa ra môi
trường, nghĩa là:
TP dt Ad B dt
Trong đó: PT - công suất phát nhiệt (tổn hao công suất) trên phần tử [W];
A - nhiệt lượng riêng, bằng nhiệt lượng làm cho nhiệt độ phần tử thay đối
B - công suất tỏa ra để nhiệt độ môi trường tăng thêm oC [J];
- chênh lệch nhiệt độ giữa phần tử và môi trường [0C]
Viết lại phương trình vi phân trên dưới dạng:
T
dP A B
dt
Giả sử tại thời điểm t = 0, chênh lệch
nhiệt độ là = 0, nghiệm của phương trình
trên sẽ là:
1 T
t
maxe
Trong đó: ax / m TP B : là chênh lệch nhiệt độ
lớn nhất đạt được, và / T A B là hằng số thời gian nhiệt.
Đường cong thay đổi nhiệt độ được thể hiện trên hình ứng với hai công suất
phát nhiệt khác nhau PT1 > PT2.
Dạng đường cong nhiệt độ như trên hình
1.55 chỉ đúng cho môi trường đồng nhất, ví dụ
một bản đồng hay nhôm. Tuy nhiên phần tử bán
dẫn được gắn lên bộ phận tản nhiệt là một môi
trường không đồng nhất. Vì thể tích nhỏ nên khả
năng tích nhiệt kém, nhiệt độ trên phần tử sẽ tăng
rất nhanh. Nhiệt lượng từ phần tử truyền ra cánh
tản nhiệt, rồi từ cánh tản nhiệt truyền ra môi
trường. Sẽ có sự chênh lệch nhiệt độ giữa phần tử,
cánh tản nhiệt, môi trường. Tương ứng giữa các
bộ phận tiếp giáp nhau sẽ có trở kháng truyền nhiệt khác nhau. Mô hình của hệ thống
truyền nhiệt như vậy được cho trên hình. Trong đó cũng thể hiện đường nhiệt độ giảm
từ phần tử Tj tới vỏ phần tử Ty, tới cánh tản nhiệt Th và tới môi trường Ta.
Dòng nhiệt truyền từ cấu trúc bán dẫn ra đến vỏ phần tử, từ vỏ tới cánh tản
nhiệt, từ cánh tản nhiệt ra đến môi trường. Giữa các môi trường tiếp giáp nhau trở
Hình 1.40. Đường cong phát nhiệt
t
max 2
max11TP
2TP
T
Tj
TvTh
Ta
Rth(j-v) Rth(v-h) Rth(h-a)
Hình 1.41. Mô hình truyền nhiệt
kháng nhiệt là: Rtb(j-v), Rth(vhj), Rth(h-a). Do đó trở kháng nhiệt sẽ bằng tổng trở kháng
nhiệt giữa các vùng tiết giáp nhau:
Rth = Rth(jv) + Rth(v-h) + Rth(h-a)
Như vậy nhiệt độ giả tưởng của cấu trúc bán dẫn sẽ là:
Tj = Ta + PTRtb
Biểu thức này thường được sử dụng để
xác định Rth cần thiết khi biết nhiệt độ cho
phép giới hạn Tj của phần tử nhiệt độ làm việc
của môi trường Ta và công suất phát nhiệt PT.
I.8.2. Tính toán tản nhiệt
Giữa công suất lớn nhất có thể được toả ra
ngoài môi trường và nhiệt độ vỏ phần tử phụ
thuộc nhau theo biểu thức:
Pmax = 25
v,max
th( j v)
T
R
= const
trong đó giả thiết nhiệt độ môi trường là
25oC.
Mối quan hệ này được biểu diễn trên đồ thị ở hình 1.57 theo đó khi nhiệt độ cấu
trúc bán dẫn bằng nhiệt độ cực đại cho phép Tj.max thì công suất tỏa ra sẽ bằng 0, đồng
nghĩa với việc phần tử bị phá hủy. Các số liệu này, kể cả đồ thị ở hình 1.57, cho mỗi
phần tử bán dẫn, được cho trong đặc tính kỹ thuật của nhà sản xuất. Để đảm bảo nhiệt
độ môi trường ở một nhiệt độ thích hợp ta phải gắn phần tử bán dẫn lên một cánh tản
nhiệt.
Khi đó:
v,max a
max
th( j a )
T TP
R
Theo mô hình truyền nhiệt trên hình 1.56, ta có:
Tj - nhiệt độ của cấu trúc bán dẫn. cho'bởi nhà sản xuất,
Tv - nhiệt độ vỏ phần tử.
Th - nhiệt độ cánh tản nhiệt.
Ta - nhiệt độ môi trường,
Pth - tổn hao phát nhiệt trong phần tử, được tính toán bởi người sử dụng,
Rth(j-v) - trở kháng nhiệt giữa cấu trúc bán dẫn và vỏ, cho bởi nhà sản xuất,
Rth(v-h) - trở kháng nhiệt giữa vỏ và cánh tản nhiệt, phụ thuộc hình đang.
kích thước vỏ phần tử, cho bởi nhà sản xuất.
Rth(h-a) - trở kháng nhiệt giữa cánh tản nhiệt và môi trường, cho bởi nhà
sản xuất cánh tản nhiệt.
Với các ký hiệu trên đây, nếu đã tính toán được tổn hao phát nhiệt trên
phần tử Pth.max, có thể xác định trở kháng truyền nhiệt yêu cầu của cánh tản nhiệt:
Hình 1.57: Đồ thị nhiệt độ và công
suất tản nhiệt lớn nhất cho phép
Pmax
50%
50 100 150 200 Tjmax
0C
25
P
j.max a
th( j v) th(v h)th h a
th.max
T TR a R R
P
Giá trị Rth(h-a) cho phép chọn được loại tản nhiệt theo yêu cầu dựa vào đặc tính
của một số loại tản nhiệt do các nhà sản xuất cung cấp.
Ví dụ: Thyristor BTW 67-1200, vỏ loại CB-332.
Trở kháng nhiệt từ cấu trúc bán dẫn ra vỏ Rth(j-v) = 0.93oC/w,
Trở kháng nhiệt từ vỏ ra tản nhiệt Tth(v-h) = 0.1oC/w.
Tj.max = 110oC.
Iv = 25 A. Ung.max = 1200 V.
Giả sử tổn hao công suất trong quá trình làm việc đã tính toán được là 50W,
nhiệt độ môi trường là 40oC. Trở kháng nhiệt của tản nhiệt yêu cầu là:
00 37
j.max a
th( j v) th(v h)th h a
th.max
T TR R R , C
P
Từ giá trị này có thể chọn được loại tản nhiệt theo yêu cầu.
CHƯƠNG 2
CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN
(Bộ biến đổi xoay chiều - một chiều)
II.1 TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN
Trong kỹ thuật điện rất nhiều trường hợp yêu cầu phải biến đổi một nguồn điện áp
xoay chiều thành điện áp một chiều và điều chỉnh được giá trị của điện áp một chiều
đầu ra. Để thực hiện việc này người ta có nhiều cách khác nhau, ví dụ như dùng tổ hợp
động cơ - máy phát, dùng bộ biến đổi một phần ứng, dùng chỉnh lưu, v.v… Nhưng phổ
biến nhất và có hiệu suất cao nhất là sử dụng các sơ đồ chỉnh lưu bằng các dụng cụ bán
dẫn. Các sơ đồ chỉnh lưu (các bộ biến đổi xoay chiều-một chiều) là các bộ biến đổi
ứng dụng tính chất dẫn dòng một chiều của các dụng cụ điện tử hoặc bán dẫn để biến
đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều một cách trực tiếp. Hiện nay các dụng
cụ điện tử hầu như không còn được sử dụng trong các sơ đồ chỉnh lưu vì kích thước
lớn, hiệu suất thấp. Dụng cụ sử dụng chủ yếu trong các sơ đồ chỉnh lưu hiện nay là các
thyristor và các diode bán dẫn. Các sơ đồ chỉnh lưu có nhiều dạng khác nhau và được
ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau, ví dụ như dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ
một chiều; cung cấp điện áp một chiều cho thiết bị mạ điện, điện phân; cung cấp điện
áp một chiều cho các thiết bị điều khiển, các đèn phát trung tần và cao tần, v.v... Các
sơ đồ chỉnh lưu được sử dụng từ công suất rất nhỏ đến công suất rất lớn.
II.1.1 Sơ đồ nối dây
Có hai loại sơ đồ nối dây các bộ chỉnh lưu là: Sơ đồ nối dây hình tia và sơ đồ nối dây
hình cầu.
II.1.1.1. Sơ đồ nối dây hình tia
Hình 2.1 là các sơ đồ chỉnh lưu hình tia tổng quát. Hình 2.1a là sơ đồ chỉnh lưu hình
tia m pha các van nối Cathode chung, còn hình 2.1b là sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha
các van nối anode chung. Trong các sơ đồ này:
u1,u2,...,um: là hệ thống điện áp xoay chiều (thường là hình sin) m pha.
T1,T2,...,Tm: là m van chỉnh lưu có điều khiển (thyristor), trong các sơ đồ chỉnh
lưu không điều khiển thì các van là diode.
Ld, Rd,, Ed: là điện trở, điện cảm, sức điện động (s.đ.đ) phụ tải một chiều.
ud, id: là điện áp và dòng điện chỉnh lưu tức thời trên phụ tải một chiều, chiều
qui ước của id lấy trùng với chiều thực của dòng qua tải, còn chiều qui ước của
ud lấy trùng với chiều qui ước của dòng tải id.
Điểm O là trung tính nguồn xoay chiều.
Ed
Ld
Rd
id
Tm T2 T1
um u2 u1
ud
O
A
Ed
Ld
Hình 2.1b: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối anode chung
Hình 2.1a: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối katôt chung
Rd
Tm T2 T1
um u2 u1 id
ud
O
K
Hình 2.1b: Sơ đồ chỉnh lưu
hìnhcầu 1 pha Hình 2.2a: Sơ đồ chỉnh lưu hình
cầu m pha (m 3)
K
O
T4
T2
T2m-1 T2m
T3
T1
um u2 u1
ud
A
Ed Ld Rd id
u
T4
T2
T3
T1
ud
Ed Ld Rd id
Đặc điểm chung của các sơ đồ chỉnh lưu hình tia là:
Số van chỉnh lưu bằng số pha nguồn xoay chiều.
Các van có một điện cực cùng tên nối chung, điện cực còn lại nối với nguồn
xoay chiều. Nếu điện cực nối chung là Cathode thì sơ đồ được gọi là sơ đồ
Cathode chung, còn nếu điện cực nối chung là anode ta có sơ đồ anode chung.
Điểm nối chung của các van là một trong hai điện cực của điện áp chỉnh lưu.
Hệ thống điện áp nguồn xoay chiều m pha phải có điểm trung tính, trung tính
nguồn là điện cực còn lại của điện áp chỉnh lưu.
II.1.1.2. Sơ đồ nối dây hình cầu
Trên hình 2.2 là các sơ đồ chỉnh lưu mắc theo sơ đồ cầu. Hình 2.2a là sơ đồ dạng tổng
quát với số pha m 3, hình 2.2b là sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha.
Các phần tử trên các sơ đồ:
u1,u2,... um: là hệ thống điện áp xoay chiều (thường là hình sin) m pha, u là điện
áp xoay chiều một pha.
Ed
Hình 2.3a
Ld
Rd
Dm D2 D1
um u2 u1 id
ud
O
K
T1,T2,...,T2m: là các van chỉnh lưu có điều khiển (thyristor).
Rd, Ld, Ed: là điện trở, điện cảm, s.đ.đ. phụ tải (Ed còn được gọi là s.đ.đ. ngược
hay sức phản điện động).
ud,id: là điện áp và dòng tải tức thời,qui ước chiều giống như sơ đồ hình tia.
Các đặc điểm chung của sơ đồ chỉnh lưu hình cầu m pha:
Số van chỉnh lưu trong sơ đồ bằng 2 lần số pha, trong đó có m van có Cathode
nối chung được gọi là nhóm van Cathode chung và trên sơ đồ ta ký hiệu bởi chỉ
số lẻ, m van còn lại có anode nối chung nên được gọi là nhóm van anode chung
và trên sơ đồ ta ký hiệu bằng chỉ số chẵn.
Mỗi pha nguồn xoay chiều nối với 2 van, một ở nhóm Cathode chung và một ở
nhóm anode chung.
Điểm nối chung của các van nhóm Cathode chung (K), nhóm van anode chung
(A) là 2 điện cực của điện áp ra.
II.1.1.3. Nguyên lý làm việc
a/- Nguyên lý làm việc của sơ đồ chỉnh lưu hình tia
Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu là không điều khiển (hình 2.3a)
Để đơn giản cho việc nghiên cứu nguyên lý làm việc của sơ đồ chỉnh lưu, trước tiên ta
xét với sơ đồ không điều khiển và nghiên cứu loại sơ đồ các van nối Cathode chung
(hình 2.3a).
Trong sơ đồ này ta đã thay các thyristor
ở sơ đồ hình 2.1a bằng các diode từ D1 đến
Dm.
Qua nghiên cứu người ta nhận thấy
rằng: Ở chế độ dòng qua tải là liên tục và bỏ
qua quá trình chuyển mạch thì ở một thời
điểm bất kỳ khi bộ chỉnh lưu đang làm việc
trong sơ đồ luôn có một van dẫn dòng, đó là
van nối với pha có điện áp dương nhất. Mặt
khác như đã biết với hệ thống điện áp xoay
chiều m pha thì trong thời gian một chu kỳ
nguồn mỗi pha sẽ lần lượt dương nhất trong khoảng thời gian bằng 1/m chu kỳ, do vậy
mà mỗi van trong sơ đồ sẽ dẫn dòng một khoảng bằng 1/m chu kỳ trong thời gian một
chu kỳ nguồn. Ta giả thiết rằng sụt điện áp trên diode hoặc thyristor mở (dẫn dòng)
bằng không. Như vậy thời điểm mà điện áp trên van bằng không và có xu hướng
chuyển sang dương là thời điểm van (diode) bắt đầu mở, thời điểm mà diode trong sơ
đồ chỉnh lưu bắt đầu mở được gọi là thời điểm mở tự nhiên đối với van trong sơ đồ
chỉnh lưu.
Thời điểm mở tự nhiên đối với van trong sơ đồ chỉnh lưu các van nối Cathode
chung chậm sau thời điểm điện áp của pha nối van bằng không và bắt đầu chuyển sang
dương một góc độ điện bằng 0, với 0 được xác định như sau:
0 = /2-/m
Hình 2.3b
Ed
Ld
Rd
Tm T2 T1
um u2 u1 id
ud
O
K
Mỗi diode trong sơ đồ bắt đầu mở tại thời điểm mở tự nhiên và sẽ khoá tại thời
điểm mở tự nhiên của van tiếp theo. Điện áp chỉnh lưu sẽ lặp lại m lần giống nhau
trong một chu kỳ nguồn xoay chiều.
Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối anode chung, khi sơ đồ
làm việc ở chế độ dòng liên tục và bỏ qua chuyển mạch thì tại một thời điểm bất kỳ
trong sơ đồ có một van mắc với pha có điện áp âm nhất dẫn dòng. Thời điểm mở tự
nhiên đối các van trong sơ đồ này chậm sau thời điểm điện áp của pha mắc với van
bằng không và bắt đầu chuyển sang âm một góc độ điện cũng bằng 0 .
Trường hợp chỉnh lưu có điều khiển (hình
2.3b)
Trong trường hợp này các van chỉnh lưu là các
thyristor (T1,T2,...,Tm). Như đã biết, để một
thyristor có thể chuyển từ trạng thái khoá sang
trạng mở thì cần phải có đủ hai điều kiện:
Điện áp giữa anode và Cathode phải
dương (thuận).
Có tín hiệu điều khiển đặt vào điện cực
điều khiển và Cathode của van (nói tắt là có tín hiệu điều khiển).
Do đặc điểm vừa nêu mà trong sơ đồ này ta có thể điều khiển được thời điểm
mở của các van trong một giới hạn nhất định. Cụ thể là, trong khoảng thời gian van có
điều kiện mở thứ nhất là có điện áp thuận (từ thời điểm mở tự nhiên đối với van cho
đến sau thời điểm này một nửa chu kỳ), ta cần mở van ở thời điểm nào thì ta truyền tín
hiệu điều khiển đến van ở thời điểm đó và điều này được thực hiện với tất cả các van
trong sơ đồ. Như vậy nếu ta truyền tín hiệu điều khiển đến van chậm sau thời điểm mở
tự nhiên một góc độ điện bằng thì tất cả các van trong sơ đồ sẽ mở chậm so với thời
điểm mở tự nhiên một góc độ điện là và đường cong điện áp chỉnh lưu trên phụ tải
một chiều sẽ khác so với sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển (các van mở tại thời điểm
mở tự nhiên đối với van), do vậy giá trị trung bình (thành phần một chiều) của điện áp
chỉnh lưu sẽ thay đổi. Mặt khác khi thay đổi giá trị của thì dạng và giá trị trung bình
của điện áp chỉnh lưu cũng thay đổi theo. Vậy ta có thể thay đổi được thành phần một
chiều của điện áp trên tải nhờ thay đổi thời điểm mở van, tức là thay đổi giá trị góc .
Trong sơ đồ chỉnh lưu thì giá trị góc mở chậm của van được gọi là góc điều khiển
của sơ đồ chỉnh lưu. Từ các điều kiện mở của van đã nêu trên ta thấy rằng: muốn van
mở được khi có tín hiệu điều khiển thì thời điểm truyền tín hiệu điều khiển đến van
phải nằm trong khoảng điện áp trên van là thuận,có nghĩa rằng: 1800
> 00. Trường
hợp sơ đồ làm việc với = 00 tương đương với trường hợp sơ đồ chỉnh lưu không điều
khiển.
Sự làm việc của sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối anode chung cũng
hoàn toàn tương tự, chỉ khác là thời điểm mở tự nhiên của các van trong sơ đồ này xác
định khác với sơ đồ các van nối Cathode chung.
b/- Nguyên lý làm việc sơ đồ cầu
Trường hợp sơ đồ không điều khiển:
Từ kết cấu của sơ đồ chỉnhlưu hình cầu ta có nhận xét:
Để có dòng qua phụ tải thì trong sơ đồ phải có ít nhất 2 van cùng dẫn dòng, một
van ở nhóm Cathode chung còn van kia ở nhóm anode chung. Vậy, với giả thiết là sơ
đồ làm việc ở chế độ dòng liên tục và bỏ qua quá trình chuyển mạch thì khi bộ chỉnh
lưu cầu m pha làm việc, ở một thời điểm bất kỳ trong sơ đồ luôn có 2 van dẫn dòng:
một van ở nhóm Cathode chung nối với pha đang có điện áp dương nhất và một van ở
nhóm anode chung nối với pha đang có điện áp âm nhất. Thời điểm mở tự nhiên đối
các van nhóm Cathode chung xác định giống như các van trong sơ đồ chỉnh lưu hình
tia cùng số pha các van nối Cathode chung, còn thời điểm mở tự nhiên đối với các van
nhóm anode chung thì xác định như đối với các van trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia
cùng số pha các van nối anode chung. Với đặc điểm làm việc của sơ đồ chỉnh lưu hình
cầu người ta nhận thấy rằng: Trong một chu kỳ nguồn xoay chiều mỗi van cũng dẫn
dòng một khoảng thời gian bằng 1/m chu kỳ như ở sơ đồ hình tia, sự chuyển mạch
dòng từ van này sang van khác chỉ diễn ra với các van trong cùng một nhóm và độc
lập với nhóm van kia; trong một chu kỳ nguồn xoay chiều điện áp chỉnh lưu lặp lại q
lần giống nhau, với q = 2m khi m lẻ và q = m khi m chẵn.
Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển
(hình2.4)
Với sơ đồ chỉnh lưu cầu, để điều khiển điện
áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều người ta cũng
thực việc điều khiển cho các van trong sơ đồ mở
chậm hơn thời điểm mở tự nhiên một góc độ điện
bằng nhờ sử dụng tín hiệu điều khiển giống như
ở sơ đồ hình tia. Giới hạn thay đổi lớn nhất của
góc điều khiển là từ 00 đến 180
0.
II.1.2 Dòng và áp của bộ chỉnh lưu và tải
II.1.2.1 Dòng điện chỉnh lưu trên phụ tải một
chiều
Từ mục trên ta thấy rằng dạng đường cong điện áp
chỉnh lưu lặp đi lặp lại q lần trong một chu kỳ nguồn xoay chiều, do vậy ở chế độ xác
lập thì dòng qua tải cũng sẽ lặp đi lặp lại q lần (với q = m khi sơ chỉnh lưu là hình tia
hoặc sơ đồ cầu có số pha m là chẵn, q = 2m khi sơ đồ chỉnh lưu là hình cầu với số pha
m là lẻ). Qua đây chúng ta thấy rằng để biết dòng và áp trên tải ở chế độ xác lập ta chỉ
cần biết dòng và áp trên tải trong một khoảng thời gian
bằng một lần lặp lại (bằng 1/m chu kỳ hay qui ra góc độ
điện bằng 2/q). Để xác định dòng và áp trên tải ta dựa vào
sơ đồ thay thế bộ chỉnh lưu trong một khoảng làm việc của
1 van như hình2.5.
Trong sơ đồ thay thế này ta có:
Rd
Ed
Ld
T
ud
u
id
Hình 2.5
K
O
T4
T2
T2m-1 T2m
T3
T1
um u2 u1
ud
A
Ed Ld Rd
Hình 2.4
id
u: là tổng đại số điện áp nguồn xoay chiều tác động trong mạch vòng nối với
các van đang dẫn dòng trong sơ đồ ở giai đoạn xét,trong sơ đồ hình tia ở một
thời điểm chỉ có một van làm việc nên u sẽ là điện pha, với sơ cầu ở một thời
điểm có 2 van mắc với hai pha khác nhau cùng làm việc nên u sẽ là điện áp dây.
Nếu ta chọn mốc thời gian xét t = 0 (t = 0) là thời điểm bắt đầu mở một van
trong sơ đồ thì: u = Um.sin (t+) (2-1a)
Trong đó Um là biên độ điện pha nguồn xoay chiều nếu sơ đồ chỉnh lưu là hình
tia hoặc là biên độ điện áp dây nếu sơ đồ chỉnh lưu là chỉnh lưu là hình cầu (V),
là tần số góc của nguồn điện xoay chiều (rad), t là thời gian xét (s), là góc
pha đầu và được xác định: = /2-/q + (2-1b)
Còn T đặc trưng các van đang dẫn dòng, ở sơ đồ tia là 1 van còn sơ đồ cầu có 2
van dẫn dòng nối tiếp nhau. ở đây T chỉ có ý nghĩa là dòng trong sơ đồ chỉ được
phép đi theo một chiều là chiều thực của dòng qua T, còn sụt điện áp trên T đã
được bỏ qua.
Ed, Ld, Rd: là các phần tử phụ tải.
ud, id: là điện áp và dòng điện trên tải.
Viết phương trình cân bằng điện áp trong sơ đồ hình 2.5 ta có
dmddd EtU
dt
diLiR )sin(.
(2-2)
Để giải phương trình này ta đặt:
=Ed/Um; i*=id/Im=id.Rd/Um; =Ld/Rd (2-3)
Thế (1-3) vào (1-2) ta được:
i* +.di
*/dt=sin (t+) - (2-4)
Đây là phương trình vi phân tuyến tính đối với dòng tải dạng tương đối.Giải
phương trình này với điều kiện đầu là: i* (t = 0) = i
*0 ta được:
sin[ -arctg( )] sin[ -arctg( )]* * / i { i - } { - }
0 2 21 ( ) 1 ( )
tte
(2-5)
Biểu thức (2-5) là biểu thức tổng quát dùng để xác định dòng điện tương đối
qua phụ tải một chiều (i*), từ đây khi sử dụng (2-3) sẽ tìm được id. Biểu thức này xác
định trong khoảng từ t = 0 đến t = 2/q.
Tuỳ thuộc vào đặc tính phụ tải, dạng sơ đồ, giá trị góc điều khiển mà xẩy ra một
số chế độ làm việc khác nhau:
Nếu trong toàn bộ thời gian làm việc mà id > 0 ta có chế độ dòng điện tải liên
tục.
Nếu trong một chu kỳ làm việc mà dòng tải có q khoảng bằng không và q
khoảng khác không ta có chế độ dòng điện tải gián đoạn.
Chế độ trung gian (giới hạn) giữa 2 chế độ nêu trên được gọi là chế độ dòng
điện biên liên tục.
Chú ý: Khi dùng (2-5) nếu tính được i* có giá trị âm trong một khoảng nào đó ở thời
gian xét thì trong khoảng đó ta lấy i*=0,vì dòng điện trong mạch chỉ được phép đi theo
một chiều nên không âm.
a/- Chế độ dòng tải gián đoạn
Điều này sẽ xẩy ra với tải là điện trở thuần khi lớn trong sơ đồ 1 hoặc 2 pha và ngay
cả sơ đồ 3 pha, hoặc khi tải có Ld hữu hạn mà Ed lớn hoặc lớn,... Khi đó, tại thời
điểm ta bắt đầu mở một van thì dòng qua tải đang bằng không, tức là i*0=0. Vậy biểu
thức dòng tải dạng tương đối lúc này là:
sin[ -arctg( )] sin[ -arctg( )]* /i { - } { - }2 21 ( ) 1 ( )
tte
(2-6)
Khi nghiên cứu bộ chỉnh lưu ở chế độ dòng điện gián đoạn người ta gọi khoảng
thời gian tồn tại một xung dòng tải qui ra góc độ điện là góc dẫn của van và ký hiệu là
.
b/- Dòng điện tải khi phụ tải Rd - Ed (khi Ld = 0)
Khi Ld = 0, ta có: = 0, nên e-t/
= 0.
Vậy dòng tương đối trên tải: i*= sin (t +) - (2-7)
c/- Dòng điện tải ở chế độ dòng biên liên tục
Khi sơ đồ làm việc ở chế độ này thì đường cong dòng điện có q điểm bằng không
trong một chu kỳ nguồn xoay chiều. Những điểm dòng tải bằng không là những điểm
bắt đầu mở một van trong sơ đồ, vậy trong trường hợp này i*0 = 0 và ta cũng có thể
dùng biểu thức (2-6) để xác định dòng tải, tuy nhiên trong trường hợp này thì góc dẫn
của van = 2/q. Khi thay t = 2/q vào (2-6) và cho i*
= 0 ta tìm được giá trị giới
hạn của s.đ.đ để sơ đồ có thể chuyển từ chế độ dòng gián đoạn sang liên tục và ngược
lại, ta có:
2 /sin[2 / ( )] sin[ ( )]
2 / 2(1 ). 1 ( )
qq arctg arctg e
gh qe
(2-8)
d/- Dòng tải ở chế độ dòng liên tục
Khi sơ đồ chỉnh lưu đã làm việc ở chế độ xác lập mà dòng tải liên tục thì do tính chất
lặp đi lặp lại mang tính chu kỳ với chu kỳ lặp lại bằng 1/q lần chu kỳ nguồn xoay
chiều nên dòng tải khi t = 2/q cũng bằng dòng tải tại t = 0, tức là bằng i*0.
Thay t = 2/q vào (2-5) ta tìm được i*0:
2 /sin[2 / ( )] sin[ ( )]*
0 2 / 2(1 ). 1 ( )
qq arctg arctg e
iq
e
(2-9)
Thế (2-9) vào (2-5) và biến đổi ta được:
/{sin[2 / ( )] sin[ ( )]} sin[ ( )]*2 / 2 2(1 ). 1 ( ) 1 ( )
tq arctg arctg e t arctgi
qe
(2-10)
Đây là biểu thức dòng tải dạng tương đối ở chế độ dòng liên tục.
Trường hợp khi Ld=
Trong trường hợp này ta tìm dòng điện tương đối bằng cách lấy giới hạn i* khi cho Ld
tiến đến (vô cùng), giá trị i* lúc này được ký hiệu là I
*:
sin(2 / / 2) sin( / 2) 2sin( / ).cos( / / 2)* *lim
2 / 2 /
q q qI i
q q
* .sin .cosq
Iq
(2-11)
Từ biểu thức (2-11) ta thấy rằng: dòng qua tải khi Ld= không phụ thuộc vào
thời gian. Nếu chú ý rằng dòng qua phụ tải bộ chỉnh lưu gồm hai thành phần: một
thành phần không đổi không phụ thuộc thời gian là thành phần một chiều hay giá trị
trung bình và một thành phần biến đổi theo thời gian là thành phần xoay chiều thì dòng
tải trong trường hợp này đúng bằng giá trị trung bình dòng chỉnh lưu, ta ký hiệu là Id.
Id= (Um. (q/).sin /q .cos - Ed)/Rd (2-12)
II.1.2.2 Điện áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều
Có hai khái niệm về điện áp chỉnh lưu là:
Điện áp chỉnh lưu tức thời (ký hiệu là ud) trong khoảng thời gian xét đã nêu ta
có:
o Ở chế độ dòng tải gián đoạn:
ud = u khi id > 0 (tức là khi i* > 0): từ t=0 đến t =
ud = Ed trong khoảng dòng tải bằng không từ t= đến t =2/q
o Ở chế độ dòng tải liên tục: ud = u trong toàn khoảng xét.
Điện áp chỉnh lưu trung bình, đây chính là thành phần một chiều của điện áp
chỉnh lưu, nó được tính theo biểu thức:
qtdt
duq
dU
/2
0)().()2/(
(2-13)
Trường hợp dòng tải gián đoạn:
)](.)()sin()[2/(
/2
0
tdEtdtUqU
q
dmd
(2-14)
Trường hợp dòng tải liên tục:
cos.cos.sin..)()sin()2/(0
/2
0
dm
q
md Uq
Uq
tdtUqU
(2-15)
II.1.3. Các chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu
Chế độ nghịch lưu của chỉnh lưu có điều khiển
Khi nghiên cứu sự làm việc của sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển người ta nhận thấy trong
một số điều kiện nhất định bộ chỉnh lưu thực hiện quá trình biến đổi năng lượng ngược
với chế độ chỉnh lưu bình thường, lúc đó bộ chỉnh lưu thực hiện biến đổi điện năng
một chiều bên phía phụ tải thành điện năng xoay chiều và chuyển trả cho nguồn cung
cấp xoay chiều. Chế độ làm việc này của sơ đồ chỉnh lưu được gọi là chế độ nghịch
lưu của chỉnh lưu có điều khiển.
Nếu gọi công suất tiêu thụ trên phụ tải bộ chỉnh lưu là Pd, bỏ qua tổn thất phụ ta
có:
Pd = Ud. Id
Trong đó, Ud, Id: là giá trị trung bình của điện áp và dòng điện chỉnh lưu.
Khi sơ đồ làm việc ở chế độ chỉnh lưu ta có Pd > 0, phụ tải tiêu thụ công suất
tác dụng do nguồn xoay chiều chuyển sang. Trong trường hợp bộ biến đổi làm việc ở
chế độ nghịch lưu thì như đã nêu: phụ tải phát ra công suất tác dụng và nguồn xoay
chiều lúc này thu công suất tác dụng, do vậy Pd < 0. Mặt khác, ta biết rằng dòng qua
phụ tải bộ chỉnh lưu chỉ đi theo một chiều nên nếu có dòng qua tải thì Id không thể âm
(tức Id luôn luôn > 0). Vậy muốn có Pd < 0 thì Ud <0, tức là điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu
phải đổi dấu. Nếu giả thiết sơ đồ chỉnh lưu làm việc ở chế độ dòng liên tục ta có:
cos.0dd UU
Từ biểu thức này ta thấy rằng:
Nếu 0 < < /2 thì Ud >0, sơ đồ làm việc ở chế độ chỉnh lưu.
Nếu /2< < thì Ud <0, sơ đồ làm việc ở chế độ nghịch lưu.
Vậy điều kiện thứ nhất để có chế độ nghịch lưu là: /2< < .
Mặt khác ta có Id = (Ud - Ed)/ Rd. Muốn có chế độ nghịch lưu thì tải phải phát ra
công suất tác dụng tức là Pd phải âm, và điều này có nghĩa là Id >0. Từ biểu thức trên
ta suy ra (Ud - Ed) > 0, mà Ud < 0 nên Ed < 0 và |Ed| > |Ud| (*), tức là ta phải đảo cực
tính của Ed so với qui ước và phải đảm bảo biểu thức (*).
Vậy điều kiện thứ hai để có chế độ nghịch lưu là: phải đảo chiều s.đ.đ. phụ tải
Ed và đảm bảo quan hệ |Ed| > |Ud|.
Khi sơ đồ chỉnh lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu người đưa ra một đại lượng
mới là góc điều khiển nghịch lưu hay gọi tắt là góc nghịch lưu và ký hiệu là . Góc
được tính bằng khoảng thời gian từ thời điểm mở van đến thời điểm chậm sau thời
điểm mở tự nhiên đối với van một góc bằng 1800 qui ra góc độ điện, vậy = -
Chú ý: Từ đặc điểm làm việc cũng như bản chất của các thyristor người ta thấy
rằng, để một thyristor đang dẫn dòng chuyển sang trạng thái khoá một cách chắc chắn
thì sau khi dòng qua van giảm về bằng không ta phải duy trì một điện áp âm hoặc bằng
không trong một khoảng thời gian nhất định thì van mới đảm bảo phục hồi được tính
chất điều khiển, có nghĩa rằng sau khoảng thời gian cần thiết như đã nêu ta có thể đặt
điện áp thuận trong giới hạn cho phép lên van thì van cũng vẫn khoá nếu chưa có tín
hiệu điều khiển. Khoảng thời gian cần thiết nêu trên được gọi là thời gian phục hồi
tính chất điều khiển của van và ta ký hiệu là tk. Khi sơ đồ làm việc ở chế độ nghịch lưu
nếu ta cho = thì khi dòng qua một van vừa bằng không (với giả thiết đang bỏ qua
chuyển mạch sẽ xét ở phần sau), điện áp trên van cũng bằng không và bắt đầu
chuyển sang dương (thuận) tức là van không có thời gian phục hồi tính chất điều khiển
và sẽ mở lại ngay. Sự tự mở lại của van vừa khoá kết hợp với việc trong sơ đồ đang có
một van cùng nhóm dẫn dòng sẽ gây nên ngắn mạch và phá huỷ chế độ nghịch lưu,
Hình 2.6
u1 iT1 T1
u2 iT2
ud
T2
id Rd Ld Ed
D0
người ta gọi hiện tượng này là hiện tượng lật đổ nghịch lưu. Muốn cho sơ đồ làm việc
bình thường ở chế độ nghịch lưu thì phải tạo ra khoảng thời gian cần thiết để van phục
hồi tính chất điều khiển bằng cách giảm giá trị góc điều khiển cực đại và người ta thực
hiện:
/2< < max hay min < < /2, trong đó min = tk (2-16)
II.1.4 Chỉnh lưu điều khiển làm việc với diode không (D0)
Từ nguyên lý làm việc của sơ đồ chỉnh lưu, người ta
thấy rằng khi đưa điện cảm vào mạch tải để san phẳng
dòng tải thì ở các góc điều khiển lớn điện áp chỉnh lưu
tức thời có những khoảng âm. Điều đó nói lên rằng
trong các khoảng thời gian đó thì tải phát ra công suất
tác dụng và thực tế là điện cảm mạch tải giải phóng ra
một năng lượng mà nó đã tích luỹ được trong giai
đoạn điện áp chỉnh lưu tức thời dương. Một phần năng
lượng tích luỹ trong Ld lúc này được chuyển vào cung
cấp cho Rd và Ed, còn một phần chuyển trả cho nguồn
xoay chiều. Vì Ld là hữu hạn nên năng lượng nó tích
luỹ được cũng là hữu hạn, do vậy khi dòng tải nhỏ hoặc góc điều khiển quá lớn,… thì
dòng điện qua tải sẽ không liên tục. Để khắc phục một phần người ta tìm cách sao cho
không chuyển năng lượng tích luỹ trong Ld về nguồn mà chỉ dùng để duy trì dòng qua
tải, lúc đó khả năng liên tục của dòng tải sẽ tốt hơn. Người ta thực hiện bằng cách mắc
song song với tải một diode sao cho khi ud > 0 thì diode này bị đặt điện áp ngược.
Diode này được gọi là diode không, ký hiệu là D0. Ví dụ sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2
pha có diode không như hình 2.6.
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ chỉnh lưu có van không có thể tóm tắt như sau:
Khi điện áp chỉnh lưu tức thời dương thì diode không bị đặt điện áp ngược. Khi điện
áp chỉnh lưu tức thời có xu hướng chuyển sang âm thì diode không sẽ mở, diode
không mở thì sụt áp trên nó giảm về bằng không. Điện áp trên D0 là uDo=0, nên ud=0,
do vậy điện áp trên van có điều khiển đang dẫn dòng ở giai đoạn trước sẽ chuyển sang
âm vì điện áp của pha nguồn xoay chiều nối với van bắt đầu đổi dấu và van đó sẽ khoá
lại. Trong thời gian D0 làm việc thì ud=0 và id = iDo. Đến thời điểm ta đưa tín hiệu điều
khiển mở van có điều khiển tiếp theo trong sơ đồ thì ud >0 và uDo=-ud<0, D0 lại khoá.
Trong các giai đoạn tiếp theo sự làm
việc của sơ đồ diễn ra tương tự, trong
một chu kỳ nguồn xoay chiều D0 làm
việc q lần.
Đồ thị điện áp chỉnh lưu tức thời,
dòng các van của sơ đồ hình 2.6 khi
sơ đồ làm việc với 0, giả thiết Ld
= cho trên hình 2.7.
Một số nhận xét: /2 3/2
3/2 /2
0
0
t
iT2 iT1
Id
Id
2
t
iDo
2
t
3/2 /2
ud (nÐt
®Ëm) u2 u1 u
0
2
iT
Hình 2.7
un iTn Lsn Tn
un+1 iTn+1 Lsn+1 Tn+1
id Rd
ud
Ld
Hình 2.8
Ed
Do đặc điểm là dòng qua D0 gây nên bởi s.đ.đ. tự cảm trong điện cảm phụ tải
Ld,vì vậy sơ đồ có chỉ hợp lý khi Ld0, Ld càng lớn càng tốt.
Trong sơ đồ chỉnh lưu có D0 thì ud 0 (không âm), nên Ud0 và sơ đồ không
làm việc được ở chế độ nghịch lưu.
II.1.5 Quá trình chuyển mạch (chuyển đổi) trong sơ đồ chỉnh lưu
II.1.5.1 Khái niệm
Bình thường để xét nguyên lý hoạt động của các sơ đồ chỉnh lưu ta thường giả thiết bỏ
qua điện trở và điện cảm nguồn cung cấp xoay chiều và của dây dẫn cũng như các
phần tử khác mắc nối tiếp trong mạch nguồn để đơn giản cho việc nghiên cứu. Trong
trường hợp này khi ta mở một van đến lượt làm việc thì van đang dẫn dòng ở giai đoạn
trước và ở cùng nhóm sẽ khoá lại tức thời. Trong thực tế thì ở mạch nguồn luôn luôn
tồn tại một giá trị điện trở và một giá trị điện cảm nhất định, điều này sẽ làm cho sự
thay đổi van làm việc trong sơ đồ khác đi, đặc biệt là điện cảm mạch nguồn. Do đặc
điểm của điện cảm là dòng qua nó không được phép thay đổi đột ngột nên khi ta
truyền tín hiệu điều khiển đến mở một van đến lượt làm việc thì van cùng nhóm với nó
đang dẫn dòng ở giai đoạn trước dòng chưa giảm ngay về không mà sẽ giảm dần trong
một khoảng thời gian nào đó và trong thời gian đó dòng qua van vừa mở cũng sẽ tăng
dần từ 0 đến giá trị dòng qua tải. Như vậy, ta thấy rằng khi chuyển sự dẫn dòng từ van
này sang van khác cùng nhóm sẽ xuất hiện một khoảng thời gian có hai van cùng
nhóm của sơ đồ cùng dẫn dòng, khoảng thời gian này được gọi là thời gian chuyển
mạch và quá trình diễn ra trong sơ đồ chỉnh lưu trong thời gian này được gọi là quá
trình chuyển mạch. Trong thời gian chuyển mạch sơ đồ làm việc ở trạng thái ngắn
mạch hai pha nguồn xoay chiều bởi sụt điện áp trên hai van cùng nhóm dẫn dòng xem
là bằng không. Quá trình chuyển mạch như đã nêu không xảy ra đối với chế độ dòng
gián đoạn vì khi ta mở một van trong sơ đồ thì tất cả các van làm việc ở giai đoạn
trước đều đang khoá. Quá trình chuyển mạch chỉ diễn ra khi sơ đồ làm ở chế độ dòng
liên tục và việc nghiên cứu quá trình này tương đối phức tạp. Để đơn giản cho việc
nghiên cứu ta tạm thời đưa ra một số giả thiết như sau:
1- Điện áp xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu là hoàn toàn hình sin.
2- Tạm thời bỏ qua điện trở trong mạch nguồn (Rs= 0), chỉ xét đến điện cảm của
mạch nguồn (Ls 0).
3- Giả thiết điện cảm mạch tải là vô cùng lớn (Ld= nên id =Id=const)
4- Bỏ qua sụt điện áp trên van và xem rằng van mở ngay khi có tín hiệu điều
khiển.
5- Chỉ khảo sát quá trình chuyển mạch diễn ra giữa 2 van và nghiên cứu với
trường hợp sơ đồ là hình tia, sau đó suy rộng
kết quả cho cả sơ đồ hình cầu.
II.1.5.2 Dạng dòng qua các van trong giai đoạn
chuyểnmạch
Để xác định biểu thức dòng các van trong giai đoạn
chuyển mạch với sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các
van nối Cathode chung ta sử dụng sơ đồ thay thế bộ chỉnh lưu trong thời gian diễn ra
quá trình chuyển mạch giữa 2 van Tn và Tn+1, (n<m), như hình 2.8:
Trong đó:
un, un+1 là điện pha thứ n và n+1 trong hệ thống điện áp xoay chiều hình sin m
pha (n<m).
Tn, Tn+1 là 2 van mắc ở 2 pha un, un+1
Lsn, Lsn+1 là điện cảm tổng trong 2 pha nguồn xoay chiều thứ n và n+1, ta có:
Lsn = Lsn+1 = Ls.
Ed, Rd, Ld là các phần tử phụ tải một chiều.
iTn, iTn+1, id là dòng điện các van là dòng tải.
ud là điện áp chỉnh lưu tức thời.
Ta chọn mốc thời gian xét t = 0 là thời điểm truyền tín hiệu điều khiển mở
Tn+1, trước đó van Tn đang dẫn dòng. Viết phương trình cân bằng điện áp trong mạch
vòng qua 2 van đang diễn ra chuyển mạch và hai pha nguồn nối với 2 van này với chú
ý rằng điện áp trên 2 van này trong khoảng chuyển mạch bằng không (vì các van đang
dẫn dòng), ta được:
- Ls.diTn/dt+ Ls.diTn+1/dt =un+1 -un (2-17)
Mặt khác ta lại có:
iTn + iTn+1 = Id (2-18)
Từ (1-17) và (1-18) ta rút ra:
iTn+1 = Id - iTn, diTn+1/dt = - diTn/dt, un+1 - un =Um.sin (t+) với Um là biên độ điện áp
dây của 2 pha nguồn liên tiếp nhau. Thay các biểu thức này vào (2-17) ta có:
2.Ls.diTn+1/dt = Um.sin (t+) (2-19)
Giải phương trình vi phân này ta được:
iTn+1 = - Im.cos (t+) +C
Hằng số tích phân C được xác định dựa điều kiện đầu là khi t=0 thì iTn+1 =0 và
có giá trị như sau:
C = Im.cos = (Um/2 Ls). cos
Với: Im là giá trị hằng được xác định bằng: Im= Um/2 Ls (2-20)
Vậy ta có:
iTn+1= Im.[cos - cos (t+)] (2-21a)
iTn = Id - Im.[cos - cos (t+)] (2-21b)
II.1.5.3 Góc chuyển mạch
Khoảng thời gian chuyển mạch qui ra góc độ điện được gọi là góc chuyển mạch và
thường được ký hiệu là . Để xác định góc chuyển mạch ta dựa vào điều kiện: khi kết
thúc chuyển mạch thì iTn=0 và iTn+1=Id .Thông thường người ta tính toán giá trị góc
chuyển mạch khi =0 trước (khi =0 thì = 0 ) rồi tính toán thông qua 0 và .
Cho =0 và thay t=0 vào (2-21a) hoặc (2-21b) ta được:
1 - cos0 = (Id.2. Ls)/Um (2-22)
0 = arccos[1- (2..Ls.Id)/Um] (2-22a)
Thay t= vào (1-21b) và cho iTn= 0 ta rút ra:
cos - cos ( +) = (Id.2. Ls)/Um (2-23)
Chia vế với vế hai đẳng thức (2-22), (2-23) cho nhau ta được:
(1- cos0 )/ [cos - cos ( +)] =1 (2-24)
sau khi biến đổi, cuối cùng ta rút ra:
=arccos (cos + cos0 - 1) - (2-25)
Nhận xét: Góc chuyển mạch phụ thuộc vào giá trị dòng tải Id, điện áp nguồn cung
cấp, điện cảm trong mạch nguồn Ls, góc điều khiển .
II.1.5.4 Điện áp chỉnh lưu khi có xét đến quá trình chuyển mạch
a/- Điện áp chỉnh lưu tức thời
Trong khoảng thời gian không diễn ra chuyển mạch: Trong các giai đoạn này
điện áp chỉnh lưu tức thời bằng điện áp của pha nguồn xoay chiều nối với van
đang dẫn dòng, ví dụ: lân cận trước t=0 thì Tn dẫn dòng nên ud=un còn từ t=
đến t=2/q thì Tn+1 dẫn dòng nên ud=un+1 .
Trong giai đoạn diễn ra chuyển mạch: Khi có sự chuyển mạch dòng từ van này
sang van khác thì dòng qua các van và các pha nguồn xoay chiều có sự biến đổi
nên điện áp chỉnh lưu tức thời trên tải cũng sẽ thay đổi. Để xác định điện áp trên
tải trong giai đoạn này ta viết phương trình cân bằng điện áp như sau:
Ls.diTn+1/dt + ud = un+1 (2-26a)
Ls.diTn/dt + ud = un (2-26b)
Cộng hai phương trình này vế với vế, biến đổi và chú ý rằng:
diTn+1/dt=- diTn/dt
ta được: ud = (un+1 + un)/2 (2-27)
b/- Điện áp chỉnh lưu trung bình
Do có chuyển mạch mà điện áp chỉnh lưu tức thời trong khoảng chuyển mạch bị giảm
đi. Lượng giảm đi của ud trong khoảng chuyển mạch bằng sụt điện áp trên điện cảm
mạch nguồn uLs. Vì vậy mà giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu cũng bị giảm đi
một lượng bằng giá trị trung bình của sụt điện áp trên Ls, ta ký hiệu là Ux. Giá trị
Ux được xác định bằng:
)]cos(.[cos).4/()()sin()4/(0
mmx UqtdtUqU
(2-28)
Dựa vào (2-23) ta rút ra: Ux= (q/2)..Ls.Id. (2-29)
Và cuối cùng ta được biểu thức điện áp chỉnh lưu trung bình khi có tính đến quá
trình chuyển mạch là:
Ud = Ud0.cos - (q/2)..Ls.Id (2-30)
Chú ý:
Khi có tính đến điện trở Rs trong mạch nguồn xoay chiều mà vẫn giả thiết Ld=
thì các tính toán cho thấy rằng dạng đường cong dòng điện các van cũng gần
Hình 2.9. Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2
pha
ud (nÐt
®Ëm)
u
u1 u2 iT1 iT2
0 t
2
i
0 t
2
uc ub u ua
T
2
T
3
T
1
T
2
T
1
T
3
t
0
Hình 2.10. Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3
pha
giống như khi bỏ qua điện trở nguồn và các biểu thức tính toán trên vẫn có thể
sử dụng được với mức độ chính xác cho phép, chỉ cần quan tâm thêm sụt áp trên
Rs.
Khi có tính đến điện trở Rs trong mạch nguồn xoay chiều mà giá trị Ld hữu hạn
thì nếu Ld có giá trị đủ lớn để cho dòng tải đập mạch nhỏ thì dạng dòng các van
cũng thay đổi rất ít và ta vẫn có thể sử dụng các quan hệ trên nhưng trong biểu
thức tính điện áp chỉnh lưu trung bình phải tính đến sụt điện áp một chiều trên
Rs. Vậy, biểu thức điện áp chỉnh lưu trung bình khi có Rs là:
Ud = Ud0.cos - (q/2)..Ls.Id - Rs.Id (2-31)
Các biểu thức (1-30), (1-31) tuy tính toán với sơ đồ hình tia nhưng vẫn áp dụng
được cho cả các sơ đồ hình cầu trừ trường hợp sơ đồ cầu một pha. Với sơ đồ
chỉnh lưu cầu một pha ta sử dụng biểu thức sau:
Ud = Ud0.cos - (2/)..Ls.Id - Rs.Id (2-32)
Khi có tính đến chuyển mạch thì độ dài dẫn dòng của van kéo dài thêm một góc
bằng nên để tránh lật đổ nghịch lưu khi sơ đồ làm việc ở chế độ này góc
nghịch lưu cần phải thoả mãn:
min < < /2 (2-33a)
Trong đó: min = tk+ (2-
33b)
II.1.5.5 Một số ví dụ:
a/- Sơ đồ chỉnh hình tia 2 pha
b/- Sơ đồ chỉnh hình tia 3 pha (Hình 2.10)
Trong trường hợp này ta giả thiết tại thời điểm bắt đầu xét ta mở T2 khi trước đó T1
đang dẫn dòng thì từ t=0 đến t= sẽ diễn ra quá trình chuyển mạch dòng từ T1 sang
T2 và điện áp chỉnh lưu tức thời trong khoảng này là ud = (u1 + u2)/2 =0, dạng đường
cong dòng các van và điện áp trên tải như hình 2.9. Ở đây ta giả thiết tại t=0 thì ta
truyền tín hiệu điều khiển đến mở T2 mắc ở pha b (pha thứ 2) và trước đó T1 đang dẫn
dòng nên giai đoạn từ t=0 đến t= diễn ra sự chuyển mạch dòng từ T1 sang T2, do
Hình 2.11: Đồ thị dòng điện lưới điện xoay
chiều
i1
i1
Id/kba 0
2/3
2 /3
Id/kba 0 t
2
t
t
/2
i1
Id/kba 0
2 /2
a
b
c
vậy điện áp chỉnh lưu lúc này sẽ bằng: ud = (u1 + u2)/2 = (ua + ub)/2. Đồ thị điện áp
chỉnh lưu tức thời như hình 2.10.
II.1.6 Ảnh hưởng của chỉnh lưu đến lưới điện
Do sự làm việc của sơ đồ chỉnh lưu mà dòng qua nguồn điện xoay chiều có dạng khác
hình sin.Phân tích đường cong dòng điện nguồn ra chuỗi Furiê ta được một thành phần
hình sin tần số bằng tần số điện áp nguồn được gọi là sóng hài bậc nhất dòng điện
nguồn (lưới) và một tổng vô hạn các thành phần hình sin khác có tần số lớn hơn tần số
điện áp nguồn một số nguyên lần được gọi là các sóng hài bậc cao dòng điện nguồn.
Từ các đặc trưng của mạch điện không hình sin đã nghiên trong lý thuyết mạch điện và
do điện áp nguồn là hình sin nên chỉ có thành phần dòng điện hình sin tần số bằng tần
số điện áp nguồn (sóng hài bậc nhất) là tham gia vào quá trình truyền công suất tác
dụng từ nguồn tới tải, còn các sóng hài bậc cao không tham gia vào quá trình này mà
nó chỉ gây nên các tổn thất phụ khi truyền tải. Mặt khác, do sự hoạt động của chỉnh lưu
điều khiển mà gây nên sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp nguồn làm giảm hệ số
công suất của lưới điện xoay chiều khi cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu.
II.1.6.1 Xuất hiện sóng hài bậc cao trong dòng điện lưới
Ta giả thiết rằng Ld = , bỏ qua quá trình chuyển mạch thì đồ thị dòng điện của nguồn
xoay chiều trong một số trường
hợp như hình 2.11. Trong đó
hình 2.11a là của sơ đồ tia 2 pha
hoặc cầu một pha không có
diode không, hình 2.11b là
trường hợp chỉnh lưu tia 2 pha
hoặc cầu một pha khi có diode
không, còn hình 2.11c là đối với
sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha khi
máy biến áp nối Y/Y.
Phân tích các đường cong
trên ra chuỗi Furiê ta được:
Đường cong hình 2.11a:
i1= (4Id/kba).[sint+ (1/2).sin3t+ (1/5).sin5t+...+ (1/n).sinnt+... (2-34)
Đường cong dòng điện chỉ chứa các sóng hài bậc lẻ, biên độ của sóng hài bậc n
bằng: Inm = (1/n). (4Id/kba); trong đó n là số nguyên dương và lẻ, kba là hệ số biến áp
của máy biến áp cung cấp cho sơ đồ.
Đường cong hình 2.11b: Để đơn giản cho việc phân tích ta chuyển dịch trục
tung đi 1 khoảng bằng /2 (đường nét đứt trên hình), ta được:
i1= (4Id/kba).[sin (/2) (1-/).cost+ (1/3).sin (3/2) (1-/).cos3t+...
+ (1/n).sin (/2).. (1-/).cosnt+...] (2-35)
Biên độ sóng hài bậc n là: Inm = (1/n). (4Id/kba). sin (n/2) (1-/).
Đường cong hình 2.11c khi dịch trục tung sang phải 900 sẽ là:
1 [(2 3 ) / ].[(cos (1/ 5).cos 5 (1/ 7).cos 7 (1/11).cos11
... (1/ ).cos ...)]d bai I k t t t t
n n t
(2-36)
Biên độ sóng hài bậc n: (1/ ).(2 3 ) /( )nm d baI n I k
Nhận xét:
Từ việc phân tích một số đường cong điện mạch nguồn đã nêu, ta thấy rằng
dòng điện nguồn có một thành phần hình sin tần số bằng tần số điện áp nguồn là sóng
hài bậc nhất và vô số các sóng bậc cao với chỉ số bậc n được xác định:
n = kq1;k=1,2,3,... (2-37)
Giá trị tương đối của sóng hài bậc n (so với sóng hài bậc nhất):
Inm* = (I1m/Inm)=1/n
II.1.6.2 Giảm hệ số công suất cos
Hệ số công suất cos trong trường hợp chung được xác định bằng:
cos =P/S (2-39)
Trong đó: P,S là công suất tác dụng và công suất toàn phần mà bộ chỉnh lưu
yêu cầu từ lưới điện xoay chiều:
P=m.U1.I11.cos1; S=m.U1.I1
Với m là số pha, U1 là giá trị hiệu dụng điện áp 1 pha, I1 là giá trị hiệu dụng
dòng điện pha, I11 là giá trị hiệu dụng sóng hài bậc nhất dòng điện pha, I1n là giá trị
hiệu dụng sóng hài bậc n dòng điện pha nguồn xoay chiều.
2
1
2
111 nIII
Vậy: cos.)(/)cos.(/cos2
1
2
11111 nIIISP (2-40)
Ở đây là hệ số hình dáng dòng diện nguồn và =I11/I1, còn 1 là góc lệch pha
giữa sóng hài bậc nhất dòng điện nguồn và điện áp nguồn.
Ví dụ: Trường hợp sơ đồ cầu 1 pha hoặc hình tia 2 pha, giả thiết Ld = :
Nếu bỏ qua chuyển mạch: 1cos)./2.2(cos
Khi không có diode không thì 1 =
Khi có diode không thì: 1 = /2
Nếu có xét đến chuyển mạch: 1cos)./22(cos k
Với 1+/2 hoặc cos1=[cos-cos (+)]/2 và giá trị:
])3/2(1)2//[()2/(sin k
Từ đó ta thấy rằng khi góc điều khiển tăng sẽ làm tăng 1 và dẫn đến hệ số
công suất của sơ đồ chỉnh lưu bị giảm .Khi không có diode D0 thì cos=0 khi =900.
II.2 Phân tích khảo sát các sơ đồ chỉnh lưu điều khiển
II.2.1 Các sơ đồ chỉnh lưu hình tia
II.2.1.1 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 1 pha không có D0
Trên hình 2.12a trình bày chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ tải thuần trở. Điện áp nguồn
u= Umsin(t), tiristo T vẫn ở trạng thái khoá. Tại thời điểm t=, đưa xung điều khiển
iG vào cực điều khiển, lúc này UAK>0, xung mồi có tác dụng mở tiristo, đưa tiristo
sang trạng thái dẫn. Tiristo tiếp tục dẫn trong khoảng <t<, dòng điện id có dạng
tương tự điện áp ud. Trong khoảng <t<2, điện áp UAK<0 tiristo bị khoá. Hình
2.12b trình bày dạng sóng điện áp, dòng điện của chỉnh lưu khi tải thuần trở. Góc
gọi là góc mở, đôi khi còn gọi là góc trễ.
Trị điện áp trung bình trên tải:
2 2
1 1 cos2 sin . 0,45
2 2dU U t d t U
Hình 2.12a,b: Sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ, điện áp và
dòng tải trường hợp tải thuần trở
u1
a)
iT id T
Rd
ud
u2
B
A
i2
uT
* *
i1
b)
ud (nÐt ®Ëm)
u
t
2
1 0 2
2
u®k
T t
2
1
0
Id
t
2
1 0 2
t
Hình 2.14
Ed
iT id T
Rd iD
o
ud
u2
B
A
i2
uT
* *
i1
u1 Ld
uD
o D0
Trong thực tế tải thường có tính chất điện cảm, tải R- L, khi đó năng lượng
được tích luỹ trong từ trường cuộn dây sẽ duy trì dòng điện tải ngay cả khi điện áp
UAK<0, ta có sơ đồ hình 2.13
Điện áp trung bình trên tải:
II.2.1.2 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 1 pha có diode D0
a/- Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 1 pha là sơ đồ chỉnh lưu đơn giản nhất, sơ đồ này thường
được sử dụng ở dạng có diode không và
ứng dụng trong một số trường hợp như:
Trong hệ thống truyền động điện
dùng khớp ly hợp điện từ, để cung cấp điện
áp một chiều điều chỉnh được cho một số
thiết bị đơn giản khác, v.v... Sơ đồ bộ chỉnh
lưu hình 2.14 bao gồm đầy đủ các phần tử
cần thiết của một sơ đồ chỉnh lưu:
Trong đó:
BA: là máy biến áp dùng để cung
cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, BA có một số nhiệm vụ như sau:
Biến đổi điện áp xoay chiều lưới điện u1 thành điện áp xoay chiều u2 bên thứ
cấp có giá trị phù hợp với yêu cầu của sơ đồ chỉnh lưu.
2 2
1 cos cos2 sin . 0,45
2 2dU U t d t U
a)
iT id T
Rd
ud
u2
B
A
i2
uT
* *
i1
u1 Ld
Hình 2.13a,b: Sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ,
điện áp và dòng tải trường hợp tải R- L
Ud
Ud
Udk
t
t
2
Id t
0
eL
b)
Hình 2.15: Đồ thị áp và dòng một số
phần tử của sơ đå
ud (nÐt ®Ëm)
iT
u
t
2
1 0
2
Id
t 2 1 0
2
Id
iDo
t 2 1 0 2
uT uT (nÐt ®Ëm) u2
t
2
1 0
2
2
u®k
T t
2 1 0
Đảm bảo sự cách ly về điện giữa mạch động lực của sơ đồ chỉnh lưu với
nguồn điện xoay chiều trong một số trường hợp cần thiết để đảm bảo an
toàn cho người vận hành và sửa chữa.
Giá trị điện cảm tản của BA tham gia làm giảm tốc độ tăng của dòng qua
van khi mở van làm hạn chế được giá trị diT/dt để bảo vệ van, vì vậy khi đã
sử dụng máy biến áp để cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu thì không cần phải
đưa thêm điện cảm vào mạch nguồn mà chỉ cần lựa chọn máy biến áp có giá
trị điện áp ngắn mạch phần trăm lớn (uN% = 710 %).
T là van chỉnh lưu có điều khiển (thyristor) dùng để biến điện áp xoay
chiều u2 thành điện áp một chiều trên tải ud .
Rd, Ld, Ed là các phần tử phụ tải một chiều.
D0 là diode không.
u1, i1: điện áp và dòng điện
cuộn sơ cấp máy biến áp
BA (điện áp nguồn xoay
chiều)
u2, i2: điện áp và dòng điện
cuộn thứ cấp máy biến áp
BA.
uT, iT: điện áp và dòng điện
của thyristor T.
uDo, iDo: điện áp và dòng
điện của diode không Do.
ud, id: điện áp và dòng điện
chỉnh lưu trên tải.
b/- Nguyên lý làm việc của sơ đồ
Ta giả thiết rằng Ld = , sơ đồ đã
làm việc ở chế độ xác lập, cho sơ đồ làm
việc với một góc điều khiển bằng và
đồ thị điện áp u2 như hình vẽ 2.15a, đồ
thị tín hiệu điều khiển T cho trên hình
2.15b.
Tóm tắt ta có sự làm việc của sơ
đồ:
t=01 và t=2=2+,...
trong sơ đồ có Do dẫn dòng: ud=0;
iT=0; iDo=id=Id; uT=u2; uDo=0;
t=1 và 23,...trong sơ đồ có T làm việc: ud=u2;
iT=id=Id; iDo=0; uT=0; uDo=-u2.
Đồ thị điện áp chỉnh lưu tức thời, tín hiệu điều khiển thyristor T, dòng điện qua
T và diode không D0 ở trường hợp vừa nêu như hình 2.15.
c/- Một số biểu thức tính toán
Điện áp chỉnh lưu trung bình: Ud =Udo. (1+cos)/2; do
2U U2
Dòng trung bình qua thyristor: ITtb = Id (-)/2
Dòng hiệu dụng qua thyristor: T dI (π α) / 2π.I
Dòng trung bình qua Do: IDotb = Id (+)/2
Dòng hiệu dụng qua Do: dI (π α) / 2π.IDo
Điện áp thuận lớn nhất trên thyristor: Tthmax 2U 2.U
Điện áp ngược lớn nhất trên thyristor: T max 2U 2.Ung
Điện áp ngược lớn nhất trên D0: max 2U 2.UDong
d/- Tính chọn các van
Để lựa chọn các van trong sơ đồ chỉnh lưu ta dựa vào các giá trị cho phép về dòng và
áp của van cho trong tài liệu tra cứu van và các giá trị tương ứng khi van làm việc
trong một sơ đồ cụ thể. Sau khi tính chọn van như đã nêu ta phải kiểm tra lại van theo
các điều kiện về tốc độ biến thiên cho phép của điện áp và dòng điện trên van.
Các van được chọn cần thoả mãn các điều kiện như sau:
Điều kiện về dòng điện:
o Thyristor: [ITtb] KiT.ITtbmax hoặc [IT] KiT.ITmax (2-41)
o Diode D0: [IDtb] KiD.IDotbmax hoặc [ID] KiD.IDomax (2-42)
Trong đó: [ITtb], [IT] là giá trị trung bình và hiệu dụng cho phép của dòng điện
đối với thyristor; ITtbmax, ITmax là giá trị trung bình và hiệu dụng lớn nhất của dòng điện
đi qua thyristor trong sơ đồ khi dòng tải là định mức; [IDtb], [ID] là giá trị trung bình và
hiệu dụng cho phép của dòng điện đối với diode; IDotbmax, IDomax là giá trị trung bình và
hiệu dụng lớn nhất của dòng điện chảy qua diode không khi dòng tải là định mức; KiT,
KiD là hệ số dự về dòng của thyristor và diode, thường lấy KiT=1,54 và KiD=1,52,5.
Điều kiện về điện áp:
o Thyristor: [UTthmax] KuT.UTttmax và [UTngmax] KuT.UTngmax (2-43)
o Diode D0: [UDngmax] KuD.UDongmax (2-44)
Trong đó: [UTthmax], [UTngmax] là giá trị cho phép của điện áp thuận lớn nhất và
điện áp ngược lớn nhất đối với thyristor; UTthmax, UTngmax là giá trị lớn nhất của điện áp
thuận và ngược trên thyristor trong sơ đồ cụ thể; [UDngmax] là giá trị cho phép của điện
áp ngược lớn nhất đối với diode; UDongmax là giá trị lớn nhất của điện áp ngược trên
diode không trong sơ đồ cụ thể; KuT, KuD là hệ số dự về điện áp của thyristor và
diode, thường lấy KuT= KuD=1,52,5.
Các điều kiện kiểm tra lại van đã chọn:
Điều kiện tốc độ tăng của điện áp trên van: [du/dt] du/dtmax (2-45)
Điều kiện tốc độ tăng của dòng điện qua van: [di/dt] di/dtmax (2-46)
Hình 2.17 Đồ thị áp và dòng một số phần
tử của sơ đå
t
uT
1 2u2
1 uT1 nÐt
®Ëm
u21-Ed
u21
0
t
Ed
u22 ud (nÐt
®Ëm) u21
u
0
2
3
=
2
=
1
' 1
=
3
=
2
= 1
=
t
iT1
0 2
t
iT
2 0
t id
0
2
'=
Trong đó: [du/dt], [di/dt] là các giá trị cho phép về tốc độ tăng của điện áp và
dòng điện đối với van và tra trong sổ tay tra cứu van; du/dtmax, di/dtmax là các giá trị lớn
nhất về tốc độ tăng của điện áp và dòng điện đối với van trong sơ đồ cụ thể.
Khi không đạt điều kiện nào trong hai điều kiện kiểm tra van thì ta phải tính
toán các mạch bảo vệ để đạt được điều kiện đó mà thường không phải chọn lại van.
Phần tính chọn van này có thể áp dụng cho
mọi sơ đồ chỉnh lưu.
II.2.1.3 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai pha
a/- Sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai pha không
có D0
Sơ đồ nguyên lý (Hình 2.16)
Trong đó: BA là máy biến áp cung cấp cho
sơ đồ chỉnh lưu, ngoài các nhiệm vụ như đã
nêu ở sơ đồ trước thì trong sơ đồ này BA
còn có chức năng là tạo ra hệ thống điện áp
xoay chiều hai pha không có trong lưới điện công nghiệp. BA có một cuộn sơ cấp
được đặt điện áp nguồn xoay chiều một pha u1, hai cuộn thứ cấp là w21, w22 có số vòng
bằng nhau và đấu như hình vẽ. Như vậy trên w21, w22 ta có các điện áp là u21, u22 thoả
mãn quan hệ: u21 = u22, đây là hệ thống điện áp xoay chiều hai pha cần thiết.
Các thyristor T1, T2 làm nhiệm vụ biến điện
áp xoay chiều thành một chiều.
Ed, Ld, Rd các phần tử phụ tải.
Nguyên lý làm việc:
Trường hợp phụ tải Rd -Ed:
Với trường hợp này phụ thuộc vào giá trị Ed,
mà xảy ra một số trường hợp khác nhau.
Ở đây ta xét một trường cụ thể với giá
trị , U2m sao cho U2m.sin >Ed.
Tại t=1= ta truyền xung điều khiển đến mở
T1, giả thiết rằng trước đó (t=0 đến t<1) thì
trong sơ đồ chưa có van nào làm việc nên id =0
và ud=Ed. Vậy tại 1thì uT1=u21-Ed>0, có đủ 2
điều kiện để T1 mở T1 sẽ mở, sụt điện áp trên
T1 giảm về bằng không nên ta có điện áp chỉnh
lưu tức thời ud=u21. Lúc này trong sơ đồ xuất
hiện dòng điện đi từ đầu pha thứ nhất (điểm 1)
qua T1, qua phụ tải và quay về pha thứ nhất thứ
cấp máy biến áp BA. Van T2 lúc này bị đặt
điện áp ngược và khoá lại, ta có:
iT1=id=(ud-Ed)/Rd= (u21-Ed)/Rd;
* w21
*
BA
w1
* w22
i21 iT
1 T1
1
O
iT2
2
i1
T2 i22
ud
Ed Ld Rd id
u1
u21
u22
Hình 2.16 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2
pha không có D0
iT2 = 0; uT1= 0; uT2 = 2u22;
đến thời điểm t=1' thì u21 = Ed lúc đó dòng qua T1 và phụ tải bằng không và có xu
hướng muốn đổi chiều,nhưng do tính dẫn dòng một chiều của các van mà T1 sẽ khoá
lại còn T2 thì chưa có điều kiện mở nên dòng tải sẽ bằng không trong giai đoạn tiếp.
Trong giai đoạn này cả 2 van T1 và T2 đều khoá:
ud = E d; iT1=0; iT2 = 0;
uT1= u21- Ed; uT2 = u22 - Ed;
Tại t=2 = +, van T2 có tín hiệu điều khiển và uT2 = u22-Ed>0, đủ hai điều
kiện cho T2 mở. VanT2 mở thì sụt áp trên nó giảm về không nên ud = u22, van T1 thì bị
đặt điện áp ngược và đang khoá. Trong giai đoạn này ta có:
iT1 = 0; iT2=id= (ud-Ed)/Rd= (u22-Ed)/Rd;
uT1 = 2u21; uT2= 0;
Tại t=2' thì u22 = Ed lúc đó dòng qua T2 và phụ tải bằng không và có xu
hướng muốn đổi chiều, nhưng do tính dẫn dòng một chiều của các van mà T2 sẽ khoá
lại còn T1 thì chưa có điều kiện mở nên dòng tải sẽ bằng trong giai đoạn tiếp. Trong
giai đoạn này cả 2 van T1 và T2 cũng đều khoá (tương tự như giai đoạn t=1'
t=2):
ud = E d; iT1=0; iT2 = 0;
uT1= u21- Ed; uT2 = u22 - Ed;
Tại t=3 thì T1 lại có tín hiệu điều khiển và uT1>0 nên T1 lại mở, sơ đồ lặp lại
trạng thái làm việc như từ t=1. Giai đoạn từ t= 0 t = 1 cũng giống như giai
đoạn t=2t=3 (do tính chất lặp đi lặp lại trong sơ đồ chỉnh lưu).
Đồ thị điện áp chỉnh lưu, dòng các van, dòng điện chỉnh lưu, điện áp trên T1 biểu diễn
trên các hình 2.17a 2.17e.
Điện áp chỉnh lưu trung bình của trường hợp này là:
(2/ 2 )[ sin( ) ( ) . ( )]0
U U t d t E d tmd d
1. cos cos .d m dU U E
Dòng trung bình qua một thyristor:
ITtb= (1/).{Um[cos-cos (-)] + (--).Ed }/Rd.
Ở đây giá trị góc được xác định như sau: = arcsin (Ed/Um)
Trường hợp tải có Ld =
Giả thiết cho sơ đồ làm việc với một góc điều khiển là ,tại t=0 thì u21=0 và bắt đầu
chuyển sang dương. Tại t=1= ta truyền xung điều khiển đến mở T1, giả thiết rằng
trước đó (t=0 đến t<1) thì trong sơ đồ có van T2 làm việc nên id =iT2 và ud=u22
.Vậy tại 1thì uT1=u21- u22 =2u21 > 0, có đủ 2 điều kiện để T1 mở. T1 sẽ mở, sụt điện áp
trên T1giảm về bằng không nên ta có điện áp chỉnh lưu tức thời ud=u21. Lúc này uT2 =
u22 - u21 =2u22 <0, tức là do T1 mở mà T2 bị đặt điện áp ngược, T2 khoá lại. Trong sơ đồ
bây giờ chỉ có van T1 làm việc, xuất hiện dòng điện đi từ đầu pha thứ nhất (điểm 1)
qua T1, qua phụ tải và quay về pha thứ nhất thứ cấp máy biến áp BA. Ta có:
iT1=id=Id; iT2 = 0; uT1= 0; uT2 = 2u22;
Đến thời điểm t = thì u21 = 0 và bắt đầu chuyển sang âm, lúc đó u21 sẽ có tác
dụng ngược chiều dòng qua T1 và phụ tải
làm cho dòng tải có xu hướng giảm,
trong điện cảm phụ tải sẽ xuất hiện s.đ.đ.
tự cảm để tiếp tục duy trì dòng tải và với
giả thiết Ld = thì như đã biết: dòng tải
không đổi, vậy trong khoảng tiếp theo
thì T1 vẫn dẫn dòng nên các quan hệ vẫn
như đã nêu.
Tại t=2 = + van T2 có tín
hiệu điều khiển và uT2 = 2.u22 >0, đủ hai
điều kiện cho T2 mở. Van T2 mở thì sụt
áp trên nó giảm về không nên ud = u22,
khi đó điện áp trên T1sẽ là: uT1 =2.u21< 0,
tức là T1 bị đặt điện áp ngược và khoá
lại. Trong giai đoạn này ta có:
iT1 = 0; iT2=id=Id;
uT1 =2u21; uT2= 0;
Đến thời điểm t = 2 thì u22 = 0
và bắt đầu chuyển sang âm, lúc đó u22 có
sẽ tác dụng ngược chiều dòng qua T2 và
phụ tải làm cho dòng tải có xu hướng
giảm, trong điện cảm phụ tải sẽ xuất
hiện s.đ.đ. tự cảm để tiếp tục duy trì
dòng tải tương tự như từ t = đến t =
2 = +. Vậy trong khoảng tiếp theo thì T2 vẫn dẫn dòng nên các quan hệ vẫn như
giai đoạn từ t = 2 = + đến t = 2.
Tại t = 3 thì T1 lại có tín hiệu điều khiển và uT1>0 nên T1 lại mở, sơ đồ lặp lại
trạng thái làm việc như từ t = 1. Giai đoạn từ t = 0t = 1 cũng giống như giai
đoạn t=2t=3 (do tính chất lặp đi lặp lại trong sơ đồ chỉnh lưu).
Với trường hợp này ta có thể tóm tắt sự hoạt động của sơ đồ như sau:
o t= 0 t = 1 và t= 2 t = 3 T2 dẫn dòng: ud = u22
iT1 = 0; iT2=id=Id; uT1= 2u21; uT2 = 0;
o t= 1 t = 2 và từ t = 3 ... T1dẫn dòng: ud = u21
iT1=id=Id; iT2 = 0; uT1= 0; uT2 = 2u22;
Dòng điện các cuộn dây thứ cấp BA bằng dòng các van:
i21 = iT1; i22 = i22.
Dòng điện cuộn dâysơ cấp BA:
Hình 2.18 Đồ thị áp và dòng một số
phần tử của sơ đå
t
u22 ud (nÐt
®Ëm) u21 u
0
2
3
= 2
= 1
=
3
= 2
= 1
=
t
iT
1 0 Id
2
2
= 1
= 3
= t 0
2
Id 1
=
t
iT2
0 2
uT1 2u21
u21
Id/kba 1
=
t
i1
0 2
i1 = (i21- i22 )/ kba= (iT1- iT2)/ kba
Đồ thị dòng, áp minh hoạ sự làm việc của sơ đồ như hình 2.18.
Các biểu thức tính toán cơ bản:
cosd doU U
2 2(2 2 / ). 0,9.doU U U
Trong đó U2 giá trị hiệu dụng của điện áp một pha bên thứ cấp BA.
/ 2Ttb dI I ; / 2T dI I
2maxmax 22 UUU TngTth
2 / 2dI I ; 1 /d baI I k
b/- Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha có D0
Sơ đồ (như hình 2.19 )
Sơ đồ này chỉ khác với sơ đồ hình 2.17 ở
chỗ trong sơ đồ hình 2.19 có thêm diode
không D0.
Nguyên lý làm việc
Ta chỉ xét trường hợp với các giả thiết:
Ld = và cũng cho sơ đồ làm việc với
một góc điều khiển là , sơ đồ đã làm
việc xác lập trước thời điểm bắt đầu xét
(t=0), tại t=0 thì u21=0 và bắt đầu
chuyển sang dương:
Ta tạm thời giả thiết giai đoạn t = 0t = 1 = thì D0 đang dẫn dòng nhờ
s.đ.đ. tự cảm trong Ld, và như vậy thì uT1 = u21 và uT2 = u22 tức là uT1 > 0 còn uT2 < 0.
Tại t = 1 = người ta truyền tín hiệu điều khiển đến T1, van T1 đủ 2 điều kiện để mở
nên nó sẽ mở.Van T1 mở thì điện áp trên T1 giảm về bằng không, do vậy ta có ud=u21
>0, dẫn đến D0 bị đặt điện áp ngược (uDo=-ud) và khoá lại, van T2 còn ở trạng thái khoá
nên trong sơ đồ từ thời điểm t=1 chỉ có mình van T1 dẫn dòng. Trong khoảng T1 dẫn
dòng ta có:
ud=u21; uT1=0; uT2=u22 - u21 =2u22;
iT1=id=Id; iT2=0; iDo=0;
* w21
*
BA
w1
* w22
i21
D0
iDo
iT1 T1 1
0
iT2 2
i1
T2 i22
ud
Ed Ld Rd id
u1
u21
u22
Hình 2.19
Hình 2.20 Đồ thị điện áp, dòng điện
minh hoạ nguyên lý làm việc của sơ đồ
uT1 (nÐt ®Ëm)
t
ud (nÐt ®Ëm)
u22 u21 u
0
2
3
= 2= 1=
iT1
2
=
1
=
3
= t 0
2
3
=
2
= 1
= t 0 Id
uT1 2u21
u21
Id t iT2
0
Id/kba t i1
0
Id t
iDo
0
Đến t = thì u21 = 0 và bắt đầu chuyển sang âm, còn u22 = 0 và bắt đầu chuyển
sang dương. Từ thời điểm này điện áp nguồn tác động ngược chiều dẫn dòng của T1 và
đặt điện áp thuận lên T2 nhưng T2 chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển.Với trường
hợp sơ đồ không có D0 như đã xét thì giai đoạn tiếp van T1 vẫn dẫn dòng do tác dụng
của s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong Ld và ud < 0, nhưng trong sơ đồ có D0 thì uDo = -ud nên
ud < 0 thì D0 sẽ được đặt điện áp thuận
và D0 sẽ mở. Do giả thiết bỏ qua sụt
điện áp trên diode dẫn dòng nên ngay
tại thời điểm uDo= 0 và có xu hướng
chuyển sang dương thì D0 đã mở, tức là
D0 bắt đầu mở tại t = . Khi D0 mở thì
điện áp trên nó giảm về bằng không nên
ud = -uDo = 0, do vậy uT1 = u21 và bắt đầu
chuyển sang âm, T1 khoá lại mà T2 vẫn
khoá nên lúc này trong sơ đồ chỉ có van
D0 dẫn dòng và ta có:
ud=0; uT1=u21; uT2=u22;
iT1=0; iT2=0; iDo= id=Id;
Tại t=2= + thì T2 có tín hiệu
điều khiển và do đang có điện áp thuận
nên T2 mở.Van T2 mở thì sụt áp trên nó
giảm về bằng không, do vậy ud = u22 > 0
và uDo=-ud =-u22<0, tức là diode không
bị đặt điện áp ngược nên D0 khoá lại.
Trong giai đoạn tiếp từ t = 2 = +
thì trong sơ đồ chỉ có van T2 dẫn dòng
và ta có:
ud=u22; uT1= u21 - u22 =2u21;
uT2=0; iT1=0;
iT2= id=Id; iDo=0
Từ t = 2 đến t = 3 = 2 + cũng tương tự như giai đoạn t = đến
t=2= +, van D0 làm việc dưới tác dụng của s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong Ld, các
biểu thức cũng giống như đã nêu.
Tại t=3=2 + van T1 lại có tín hiệu điều khiển, T1 lại mở, sơ đồ lặp lại trạng
thái làm việc giống như từ t=1. Giai đoạn từ t=0 đến t=1 có thể suy ra từ giai
đoạn từ t=2 đến t=3=2 +, van D0 dẫn (hoàn toàn phù hợp với giả thiết ban đầu
).
Đồ thị điện áp, dòng điện minh hoạ nguyên lý làm việc của sơ đồ biểu diễn trên
hình 2.20.
Một số biểu thức:
(1 cos ) / 2d doU U ; max 22.TthU U ;
max 22. 2.TngU U ; max 22.DongU U ;
( ) / 2Ttb dI I ; ( ) / 2T dI I ;
( / 2)Dotb dI I ; /Do dI I
II.2.1.4 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha
a/- Sơ đồ không có diode không (D0)
Sơ đồ nguyên lý: (như hình 2.21)
Đây là sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu hình
tia 3 pha không có diode không. Trong sơ
đồ này:
- BA là máy biến áp 3 pha dùng để cung
cấp cho sơ đồ chỉnh lưu.
- Các thyristor T1, T2, T3 dùng để biến điện
áp xoay chiều 3 pha bên thứ cấp máy biến
áp BA là ua, ub, uc thành điện áp một chiều
trên tải ud .
- Rd, Ld, Ed là các phần tử phụ tải của bộ chỉnh
lưu.
- iA, iB, iC dòng các pha cuộn dây sơ cấp của
BA.
- ia, ib, ic dòng các pha cuộn dây thứ cấp của
BA
- iT1, iT2, iT3 dòng các van chỉnh lưu.
- id dòng điện chỉnh lưu.
Nguyên lý làm việc:
Ở đây ta chỉ xét một trường hợp là khi giả thiết
Ld =, cho sơ đồ làm việc với một góc điều
khiển bằng và cũng giả thiết là sơ đồ đã làm
việc xác lập trước thời điểm bắt đầu xét
(t=0):
Ta tạm giả thiết rằng: trước thời điểm
t=1= thì trong sơ đồ van T3 đang dẫn dòng
và các van khác còn ở trạng thái khoá, khi đó
trên van T1 sẽ có điện áp thuận (vì uT1=ua-
uc=uac, và tại t=1= thì uac>0 nên uT1>0). Tại
t=1= thì T1 có tín hiệu điều khiển, T1 có đủ
hai điều kiện để mở nên T1 mở và uT1 giảm về
bằng không. Do uT1= 0 nên ud =ua, và từ sơ đồ
ta xác định được điện áp trên T3 là uT3= uc-
ua=uac, tại 1 thì uca<0, tức là T3 bị đặt điện áp
ngược nên khoá lại, van T2 thì vẫn khoá, do
iT1 T1 ia a * *
BA iA
iB
iC
A
T2 ib B iT2 b * *
ic c * * C
iT3
Ed Ld Rd id
T3 ud K O
Hình 2.21 Sơ đồ chỉnh lưu
hình tia 3 pha
t
t
t
t
t
t
t
iT1=ia
0
2
4 3 2 1
2
uT1
uac uab
0
2
4 3 2 1
iT3=ic
0
4 3 2 1
2 iA
0
2
4 3 2Id/ (3kba) 1
Id/ (3kba)
iB
0
2
4 3 2 1
iC
0 2
4 3 2 1
iT2=ib
0
4 3 2 1 Id
t
u
0
2
ud uc ub
ud (nÐt
®Ëm) ua
4 3 2 1
Hình 2.22 Đồ thị điện áp, dòng điện
minh hoạ nguyên lý làm việc của sơ đồ
vậy trong khoảng tiếp sau 1 trong sơ đồ chỉ có van T1 dẫn dòng, khi T1 dẫn dòng:
ud=ua; iT1=id=Id; iT2=0; iT3=0; uT1=0; uT2=uba;
uT3=uca
Đến t=5/6 thì ua = ub, đây là thời điểm mở tự nhiên đối với T2 nhưng T2 chưa
mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, do ua vẫn dương kết hợp với tác dụng cùng chiều
của s.đ.đ. tự cảm trong Ld mà T1 vẫn tiếp tục dẫn dòng.
Đến t= thì ua=0 và sau đó chuyển sang âm nhưng T2 còn chưa mở nên T1 vẫn
tiếp tục làm việc nhờ s.đ.đ. tự cảm của Ld (ở đây >300).
Tại t=2=5/6 + thì T2 có tín hiệu điều khiển và do đang có điện áp thuận
nên T2 mở, T2 mở thì uT2 giảm về bằng không nên ud = ub và uT1 = ua-ub=uab mà tại 2
thì uab <0, tức là T1 bị đặt điện áp ngược nên khoá lại. Do vậy từ 2 trong sơ đồ chỉ có
van T2 dẫn dòng, khi T2 mở:
ud=ub; iT1=0; iT2= id=Id; iT3=0;
uT1= uab; uT2=0; uT3= ucb
Suy luận tương tự như vậy ta có từ t=2 t=3 thì T3 làm việc và:
ud=uc; iT1=0; iT2=0; iT3= id=Id;
uT1= uac; uT2= ubc; uT3= 0
Tại t=4 thì T1 lại có tín hiệu điều khiển, T1 lại mở và sơ đồ lặp lại trạng thái
làm việc giống như từ t=1. Từ tính chất lặp đi lặp lại trạng thái làm việc của sơ đồ
chỉnh lưu ta suy ra giai đoạn t=0 t=1 cũng tương tự giai đoạn t=2t=4, mà
giai đoạn t=2 t=4 lại nằm trong giai đoạn t=3 t=4: van T3 dẫn dòng, điều
này hoàn toàn phù hợp với giả thiết ban đầu.
Do đặc điểm là dòng bên thứ cấp máy biến áp cung cấp chỉ đi theo một chiều
bởi tính dẫn dòng một chiều của các van nên dòng sơ cấp BA phụ thuộc vào sơ đồ nối
dây máy biến áp. Ta sẽ tiến hành xác định biểu thức dòng sơ cấp BA trong 2 trường
hợp:
Khi máy biến áp nối Y/Y0:
Ta có sơ đồ nối của máy biến áp trong
trường hợp này như hình 2.23.
Để tìm các dòng sơ cấp iA, iB, iC theo
dòng thứ cấp ia, ib, ic ta viết các phương trình
kiếc hốp 1 cho mạch điện đối với điểm trung
tính cuộn dây sơ cấp và các phương trình kiếc
hốp 2 cho 2 vòng mạch từ như trên hình 2.23.
Từ sơ đồ hình 2.23 ta có:
ia=iT1; ib=iT2; ic=iT3.
o Khi van T1 dẫn dòng: (ia=id; ib=ic=0): Ta có các phương trình ở khoảng này
là:
iA +iB+ iC =0 (*)
w1.iA -w2.ia-w1.iB =0 (**)
ia a * *
BA
iA
iB
iC
A
ib B b * *
ic c * * C
Hình 2.23
Hình 2.24
ia
a * *
BA iAB iA
iBC iB
iCA
iC
A
ib
B b * *
ic c * * C
w1.iB -w1.iC =0 (***)
Giải kết hợp 3 phương trình trên ta được:
iA = (2/3kba).ia; iB = - (1/3kba).ia; iC = - (1/3kba).ia
o Khi van T2 dẫn dòng: (ia=0; ib=id; ic=0): Viết các phương trình tương tự ta
tìm được:
iA = - (1/3kba).ib; iB = (2/3kba).ib; iC = - (1/3kba).ib
o Khi van T3 dẫn dòng: (ia=0; ib=0; ic= id): Ta cũng tiến hành viết các phương
trình tương tự và tìm được:
iA = - (1/3kba).ic; iB = - (1/3kba).ic; iC = (2/3kba).ic
Với: kba=w1/w2 là tỉ số máy biến áp.
Trong cả 3 khoảng tương ứng với 3 van làm việc ta đều có sức từ động (s.t.đ.)
tổng hợp trong lõi thép các pha máy biến áp là:
FOA= FOB= FOC= (1/3)w2.id
Các s.t.đ. này hướng cùng một chiều nên không khép vòng trong mạch từ của
máy biến áp mà khép vòng qua môi trường chung quanh máy biến áp. Nếu dòng tải
không được san phẳng (Ld) thì sẽ gây nên
các tổn thất phụ trong phần vỏ kim loại bao
quanh máy biến áp. Mặt khác các s.t.đ. một
chiều này sẽ gây nên hiện tượng bão hoà từ, ảnh
hưởng đến sự làm việc của máy biến áp. Do
vậy, để tránh bão hoà thì lõi thép của máy biến
áp phải có kích thước lớn hơn so với tính toán.
Trường hợp máy biến áp nối /Y0:
Sơ đồ nối dây máy biến áp trong trường hợp này như hình 2.24. Do cuộn dây máy biến
áp nối nên dòng điện trong từng pha cuộn sơ cấp độc lập nhau. Trong trường hợp
này ta dựa vào nguyên lý hoạt động của máy biến áp ta có:
iAB = (ia - Id/3)/kba; iBC = (ib - Id/3)/kba; iCA = (ic - Id/3)/kba
Trong đó ia, ib, ic là dòng điện tổng trong các cuộn dâythứ cấp máy biến áp; iAB,
iBC, iCA là dòng điện trong các cuộn dây sơ cấp máy biến áp; Id/3 là thành phần một
chiều của dòng điện trong mỗi cuộn thứ cấp. Các dòng điện dây iA, iB, iC (dòng điện
lưới) được xác định như sau:
iA = iAB - iCA; iB = iBC - iAB; iA = iCA - iBC
Sức từ động tổng hợp trong lõi thép máy biến áp:
FOA= FOB= FOC= (1/3)w2.Id
Như vậy trong lõi thép máy biến áp ở trường hợp này cũng xuất hiện thành
phần s.t.đ. từ hoá cưỡng bức (s.t.đ. một chiều), điều này cũng gây khó khăn cho sự làm
việc của mạch từ, dễ gây nên bão hoà từ. Để tránh sự bão hoà từ khi bộ chỉnh lưu làm
việc ta phải tăng kích thước lõi thép so với tính toán. Đối với trường hợp cuộn dây sơ
cấp BA nối thì do s.t.đ. từ hoá cưỡng bức không đập mạch theo dòng tải nên không
gây nên các tổn thất phụ (do dòng xoáy) khi dòng tải không được san phẳng như ở
trường hợp cuộn dây sơ cấp nối hình Y.
Các biểu thức tính toán cơ bản:
.cosd doU U ; 2 2(3 6 / 2 ). 1,17doU U U ;
max max 26.Tth TngU U U
/ 3Ttb dI I ; / 3T dI I
Dòng hiệu dụng cuộn dây sơ và thứ cấp máy biến khi tổ nối dâyY/Y0
2 / 3T dI I I ; 1 /( . 3)d baI I k
Xác định công suất tính toán máy biến áp khi tổ nối dây là Y/Y0 và /Y0:
1 1 13 2 . /(3. 3)d dS U I U I ; 2 2 23 2. . . /(3. 2)d dS U I U I
1 2( ) / 2 /(3. 6)( 3 2). 1,355. .ttBA d d d dS S S U I U I
b/- Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha có diode không D0
Sơ đồ nguyên lý
Trong sơ đồ này (hình 2.25) có thêm
diode không D0, còn các phần tử khác
thì hoàn toàn tương tự như sơ đồ hình
2.21.
Nguyên lý làm việc
Ta giả thiết sơ đồ có Ld=, sơ đồ đã
làm việc xác lập trước thời điểm bắt
đầu xét. Với sơ đồ này, tuỳ thuộc vào
giá trị góc điều khiển mà có thể xẩy
ra 2 trường hợp:
Khi 300 0
0 thì van D0 không làm việc nên hoạt động của sơ đồ hoàn toàn
giống như khi không có D0, lúc đó các biểu thức tính toán giống như khi không
có D0: Ud = Udo.cos
Khi 1500 >30
0 lúc này D0 sẽ làm việc, sự làm việc của sơ đồ được tóm tắt
như sau:
Từ t=0t=/3 van T3 dẫn dòng, ta có:
ud=uc; iT1=0; iT2=0; iT3= id=Id; iDo=0; uT1=uac; uT2=ubc; uT3=0;
Các khoảng: Từ t = /3 t = 1 = /6 + , từ t = t = 2, từ
t=5/3t=3, từ t=7/3t =4 van D0 dẫn dòng:
ud=0; iT1=0; iT2=0; iT3=0; iDo= id=Id; uT1=ua; uT2=ub; uT3=uc;
Từ t=1=/6+ t = van T1 dẫn dòng:
iT1 T1
T2 iT2
iT3 T3
O ud
Ed Ld Rd id
u
ia a * *
BA iA
iB
iC
A
ib B b * *
ic c * *
C
iDo D0
K
Hình 2.25
Hình 2.26 Đồ thị điện áp, dòng điện
minh hoạ nguyên lý làm việc của sơ
đồ
t
t
t
t
t
iT1=ia
0
2
4 3 Id
ud (nÐt ®Ëm)
2
Id
Id
Id
1
iT2=ib
0 2
4 3 2 1
iT3=ic
0 2
4 3 2 1
iDo
0 2
4 3 2 1
uT1
uab uac
ua
0 2
4 3 2 1
t
7/3 5/3 /3 2
u
0
ud
uc ub ua
4 3 2 1
ud=ua; iT1= id=Id; iT2=0;
iT3=0; iDo=0; uT1=0;
uT2=uba; uT3=uca;
Từ t=2t =5/3 van T2 dẫn
dòng:
ud=ub; iT1=0; iT2= id=Id;
iT3=0; iDo=0; uT1= uab;
uT2=0; uT3=ucb;
Từ t=3t =7/3 van T3 dẫn
dòng:
ud=uc; iT1=0; iT2=0;
iT3= id=Id; iDo=0; uT1=uac;
uT2=ubc; uT3=0;
Từ t=4 thì van T1 lại dẫn
dòng,sơ đồ lặp lại trạng thái
làm việc giống như từ t=1.
Một số đồ thị minh hoạ nguyên
lý hoạt động của sơ đồ được biểu diễn
như hình 2-26.
c/- Một số biểu thức tính toán
[1 cos( 30 )]/ 3o
d doU U
(5 / 6 ) / 2Ttb dI I ; (5 / 6 ) / 2T dI I
.3.( / 6) / 2Dotb dI I ; 3.( / 6) / 2Do dI I
max 22.TthU U ;
max 26.TngU U ;
max 22DongU U
II.2.1.5 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 6 pha
a/- Sơ đồ chỉnh lưu hình
tia 6 pha không có cuộn
kháng cân bằng
Các sơ đồ chỉnh lưu hình
tia 6 pha bình thường hầu
như không được sử dụng.
Người ta chủ yếu chỉ dùng
sơ đồ hình tia 6 pha có
cuộn kháng cân bằng. Tuy
vậy để tiện lợi cho việc
nghiên cứu sơ đồ hình tia
6 pha có cuộn kháng cân
bằng ta giới thiệu qua về
sơ đồ hình tia 6 pha. Sơ
đồ nguyên lý như hình
2.27a.
Trong sơ đồ này bao gồm:
BA là máy biến áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, ngoài nhiệm vụ bình
thường như ở các sơ đồ khác thì trong sơ đồ này BA còn có nhiệm vụ là tạo
ra hệ thống điện áp xoay chiều 6 pha khi nguồn cung cấp là hệ thống 3 pha.
Để thực hiện được nhiệm vụ này máy biến áp có cấu tạo mỗi pha có 1 cuộn
C B A
iC iB iA
BA
O id
Rd b2 b1 a1 a2 c1
ia1 ud
ic2
c2
ib2 ia2 ic1 ib1
Ld
T5 T3 T1 T2 T6 T4
Ed iT2 iT6 iT4 iT5 iT3 iT1
K
* * *
* * *
* * *
AC
CB B
A a1
a2
c1
c2
b1
b2
b a
c
Hình 2.27
sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp đấu như hình vẽ và phía thứ cấp hình thành 2
nhóm gồm a1, b1, c1 và a2, b2, c2 mà mỗi nhóm là một hệ thống điện áp xoay
chiều 3 pha, thêm nữa do cách đấu dây mà ua1 lệch pha 1800 so với ua2 nên
kết quả ta có hệ thống điện áp xoay chiều 6 pha như đã minh hoạ bởi đồ thị
véc tơ trên hình 2.27a và 2.27c.
Các thyristor từ T1 đến T6 làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều 6 pha
thành điện áp một chiều.
Ed, Rd, Ld là phụ tải.
Nguyên lý làm việc của sơ đồ như trường hợp tổng quát đã nêu. Trong trường hợp này
ta có:
.cosd doU U ; 2(3. 2 / ).doU U
/ 6Ttb dI I ; / 6T dI I
Do ở mỗi thời điểm trong sơ đồ chỉ có một van dẫn dòng nên trong mạch từ
máy biến áp cung cấp BA cũng xuất hiện thành phần s.t.đ. từ hoá cưỡng bức buộc ta
phải tăng kích thước lõi thép so với tính toán để tránh bão hoà từ.
b/- Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng
Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu như hình 2.28, khác với sơ đồ hình 2.27 ở chỗ trong sơ
đồ này có thêm cuộn kháng cân bằng CKB gồm 2 nửa mắc giữa điểm trung tính của 2
nhóm cuộn thứ cấp máy biến áp. Nhờ có cuộn kháng này mà sơ đồ hoạt động như hai
bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha độc lập và chung tải, vì vậy trong sơ đồ này độ dài dẫn
dòng của mỗi van không phải là 1/6 chu kỳ như trường hợp trước mà trong một chu kỳ
nguồn mỗi van sẽ dẫn dòng một khoảng bằng 1/3 chu kỳ. Đặc điểm vừa nêu của sơ đồ
làm triệt tiêu được thành phần s.t.đ. từ hoá cưỡng bức mà nó xuất hiện trong sơ đồ 6
pha bình thường, vì vậy mà mạch từ không bị bão hoà, đây là ưu điểm nổi bật của sơ
đồ này so với sơ đồ hình 2.27. Trên cuộn kháng cân bằng CKB sụt một điện áp bằng
hiệu giá trị tức thời của điện áp ra 2 sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha:
uk =ud1 - ud2
Trong đó: uk, ud1, ud là điện áp trên cuộn kháng, điện áp chỉnh lưu của sơ đồ
hình tia 3 pha thứ nhất gồm T1, T3,
T5 và điện áp chỉnh lưu của sơ đồ
hình tia 3 pha thứ hai gồm T2, T4, T6
.
Điện áp chỉnh lưu tức thời
trên tải được xác định như sau:
ud1 -uk/2 = ud2 - uk/2 =
(ud1 + ud2)/2
Ta có:
CKB
O
id
Rd
ud
uk
ud1 ud2
Ld
Ed
ia1
c1 b1 a1
ic1 ib1
T5 T3 T1
iT5 iT3 iT1
* * *
ic2
T2
iT2
* * *
c2 b2 a2
ib2 ia2
T6 T4 iT6 iT4
* *
BA
C B A
iC iB iA
* * *
Hình 2.28
Hìn 2.30
t
-u2 ud(nÐt
®Ëm) 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
.cosd doU U ; 21,17.doU U ; max max 26.Tth TngU U U
/ 6Ttb dI I ; / 6T dI I
II.2.2 Các sơ đồ chỉnh lưu hình cầu
II.2.1.1 Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha
a/- Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn
Sơ đồ nguyên lý
Giới thiệu các phần tử trên sơ đồ:
BA là máy biến áp cung cấp, với
sơ đồ cầu 1 pha thì có thể dùng
hoặc không dùng máy biến áp.
Các van có điều khiển T1 T4
dùng để biến điện áp xoay chiều
thành một chiều, 4 van này được
phân làm hai nhóm: nhóm
Cathode chung gồm T1 và T3, nhóm anode chung gồm T2 và T4.
Ed, Rd, Ld là các phần tử phụ tải.
u1, u2 là điện áp trên cuộn sơ cấp (điện áp lưới) và điện áp cuộn thứ cấp
i1, i2 là dòng điện cuộn sơ cấp (dòng điện lưới) và dòng điện cuộn thứ cấp.
Dòng, áp các phần tử khác tương tự như các sơ đồ khác.
Nguyên lý làm việc
của sơ đồ
Ta xét nguyên lý làm
việc của sơ đồ trong
trường hợp giả thiết phụ
tải có Ld=, và xem
rằng sơ đồ đã làm việc
xác lập trước thời điểm
ta bắt đầu xét. Với đồ
thị điện áp nguồn và giá
trị góc điều khiển như
trên hình 2.30a có
nguyên lý làm việc của
sơ đồ như sau:
Giả thiết là trong
khoảng lân cận phía
trước thời điểm
t=1= thì trong sơ đồ
hai van T3 và T4 đang
dẫn dòng.
iT3 iT1
T3 T1 BA Rd i2 i1
ud Ld
Ed iT4 iT2
id T4 T2
u2 u1
Hình 2.29
Tóm tắt sự làm việc của sơ đồ trong hơn 1 chu kỳ như sau:
Từ t=0 t=1 và từ t=2t=3 thì 2 van T3 và T4 dẫn dòng:
ud= -u2; uT1= uT2= u2; uT3=uT4=0;
iT1=iT2=0; iT3=iT4= id=Id;
Từ t=1t=2 thì 2 van T1 và T2 dẫn dòng:
ud=u2; uT1=uT2=0; uT3=uT4=-u2;
iT1=iT2=id=Id; iT3=iT4=0;
Dòng điện cuộn dây thứ cấp và sơ cấp được xác định như sau:
i2=iT1-iT4=iT2-iT3; i1 = i2/ kba
Đồ thị dòng và áp một số phần tử trong sơ đồ được biểu diễn trên hình 2.30
Các biểu thức cơ bản
cosd doU U , 2 2(2 2 / ). 0,9.doU U U
Trong đó U2 giá trị hiệu dụng của điện áp bên thứ cấp BA.
/ 2Ttb dI I ; / 2T dI I ; max max 22.Tth TngU U U
2 dI I ; 1 /d baI I k
b/- Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha có diode không (D0)
Sơ đồ nguyên lý như hình 2.31
Sơ đồ này chỉ khác với sơ đồ hình
2.29 là trong sơ đồ có thêm van D0.
Sơ đồ này trong thực tế ít được sử
dụng vì có các sơ đồ khác đơn giản
hơn mà có dạng điện áp chỉnh lưu
hoàn toàn tương tự. Nguyên lý hoạt
động của sơ đồ cũng giống như các sơ
đồ có D0 nói chung, còn dạng điện áp
chỉnh lưu tức thời thì giống như sơ đồ hình tia 2 pha có D0, dạng dòng qua thyristor và
diode không cũng tương tự. Ta có các biểu thức tính toán cơ bản cho trường hợp phụ
tải có Ld= như sau:
(1 cos ) / 2d doU U ; max 21/ 2.TthU U ; max 22.TngU U ; max 22DongU U
( ) / 2Ttb dI I ; ( ) / 2T dI I ; ( / )Dotb dI I ; /Do dI I
c/- Các sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha dùng 2 diode và 2 thyristor (2D-2T)
(Các sơ đồ bán điều khiển)
Khi nghiên cứu các sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha người ta thấy có một số sơ đồ cho dạng
điện áp ra như sơ đồ có diode không nhưng có kết cấu gọn hơn, đó là các sơ đồ dùng
2 van có điều khiển (thyristor) và 2 van không điều khiển (diode).Tuỳ thuộc cách mắc
các van mà có 2 kiểu sơ đồ khác nhau.
iT3 iT1
T3 T1 BA i2 i1
iT4 iT2
T4 T2
iDo ud
D0 u2 u1
Rd
Ld
Ed
id
Hình 2.31
Hình 2.33
t
iT1
b 0 Id
t h 0
uT1
iT2
Id t c 0
Id/kba t g 0
t i 0
uD1
iD1
Id t d 0
iD2
Id t e 0
i1
ud (nÐt ®Ëm)
t
-u2 u2 u
a 0
2
3= 2= 1=
c.1/- Sơ đồ thứ nhất
Sơ đồ nguyên lý
Trong sơ đồ hình 2.32 hai van có điều
khiển được mắc ở hai nhóm van khác
nhau và anode của van ở nhóm
Cathode chung nối với Cathode của
van ở nhóm anode chung, hai van
không điều khiển cũng mắc tương tự.
Nguyên lý làm việc
Cũng như các sơ đồ có diode không,
sơ đồ chỉnh lưu dùng hai diode và hai thyristor chỉ làm việc có hiệu quả khi có điện
cảm lớn trong mạch tải.Do vậy ở đây ta xét một trường hợp khi phụ tải có Ld=. Đồ
thị biểu diễn điện áp chỉnh lưu,dòng các van, điện áp trên 2 van dùng để minh hoạ cho
sự làm việc của sơ đồ được cho trên hình
Ta giả thiếtrằng từ t=0 đếnt<1= thì 2 van D1, D2 đang dẫn dòng dưới tác
dụng của s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong
Ld. Tại t=1= ta truyền tín hiệu
điều khiển đến mở van T1, lúc này T1
đang có điện áp thuận (vì khi D1 mở
thì uT1=u2 và tại 1= thì u2>0) nên đủ
2 điều kiện để mở. Van T1mở thì điện
áp trên nó giảm về bằng không nên ta
có uD1=-u2<0, tức là D1 bị đặt điện áp
ngược và khoá lại,từ thời điểm này
trong sơ đồ có 2 van là T1 và D2 dẫn
dòng, điện áp nguồn xoay chiều u2 tác
động thuận chiều dẫn dòng của 2 van
này. Khi T1 và D2 cùng dẫn dòng ta
có:
ud = u2; iT1 = id = I d;
iT2 = 0; iD1 = 0;
iD2 = id = I d; uT1 = 0;
uT2 = -u2; uD1 = -u2;
uD2 = 0;
Đến t= thì u2=0 và bắt đầu
chuyển sang âm, u2 bắt đầu đặt điện
áp thuận lên T2 và D1, do T2 chưa có
tín hiệu điều khiển nên chưa mở, còn
D1 là diode nên D1 sẽ mở. Van D1 mở
thì điện áp trên nó giảm xuống bằng
không, và ta có uT1 = u2, mà tại t=
iD1 iT1 D1 T1
BA Rd i2 i1
ud Ld
Ed iT2 iD2
id T2 D2
u2 u1
Hình 2.32
Hình 2.34
iT2 iT1
T2 T1 BA Rd i2
* *
i1
ud Ld
Ed iD1 iD2 id D1 D2
u2 u1
Hình 2.35
t
iT1
b 0 Id
t h 0
uT1
iT2
Id t c 0
Id/kba
t g 0
t i 0
uD1
iD1
Id t d 0
iD2
Id t e 0
i1
ud (nÐt ®Ëm)
t
-u2 u2 u
a 0
2
3= 2= 1=
thì u2 đang chuyển sang âm nên T1 sẽ bị đặt điện áp ngược và sẽ khoá lại.Vậy từ t=
trong sơ đồ có 2 van là D1 và D2 cùng dẫn dòng. Khi 2 diode cùng làm việc, ta có:
ud = 0; iT1 = 0; iT2 = 0; iD1 = id = I d;
iD2 = id = I d; uT1 = u2; uT2 = -u2; uD1 = 0; uD2 = 0;
Tại t=2=+ thì van T2 có tín hiệu điều khiển, lúc đó T2 đang có điện áp
thuận, T2 mở. Van T2 mở thì uT2 giảm về bằng không nên uD2= u2<0, tức là D2 bị đặt
điện áp ngược và sẽ khoá lại, do vậy từ t=2 trong sơ đồ chỉ có 2 van là T2 và D1
cùng dẫn dòng. Khi 2 van T2 và D1 cùng làm việc, ta có:
ud = -u2; iT1 = 0; iT2 = id = I d; iD1 = id = I d; iD2 = 0;
uT1 = u2; uT2 = 0; uD1 = 0; uD2 = u2;
Đến t=2 thì u2=0 và bắt đầu chuyển sang dương, u2 bắt đầu đặt điện áp thuận
lên T1 và D2, do T1 chưa có tín hiệu điều khiển nên chưa mở, còn D2 là diode nên D2
sẽ mở. Van D2 mở thì điện áp trên nó giảm xuống bằng không, và ta có uT2=-u2, mà tại
t=2 thì u2 đang chuyển sang nửa chu kỳ dương nên T2 sẽ bị đặt điện áp ngược và sẽ
khoá lại. Vậy từ t=2 trong sơ đồ có 2 van là D1 và D2 cùng dẫn dòng. Khi 2 diode
cùng làm việc, ta lại có:
ud = 0; iT1 = 0; iT2 = 0; iD1 = id = I d;
iD2 = id = I d; uT1 = u2; uT2 = -u2; uD1 = 0; uD2 = 0;
Tại t=2=2+ thì van T1 lại
có tín hiệu điều khiển, lúc đó T1 đang
có điện áp thuận, T1 mở. Van T1 mở
thì uT1 giảm về bằng không nên uD1=-
u2<0, tức là D1 bị đặt điện áp ngược và
sẽ khoá lại, do vậy từ t=3 trong sơ
đồ chỉ có 2 van là T1 và D2 cùng dẫn
dòng, sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc
giống như từ t=1.
Các biểu thức cơ bản
2/)cos1( dod UU
2/)( dTtb II
;
2/)( dT II
2max .2 UUTth ; 2max 2UUTng
2/)( dDtb II
;
2/)( dD II
2max .2 UU Dng
c.2/- Sơ đồ thứ hai
Sơ đồ nguyên lý
Trong sơ đồ này 2 van có điều khiển được bố trí ở cùng một nhóm van, nhóm
còn lại là 2 van không điều khiển (diode)
Nguyên lý làm việc
Giả thiết Ld=. Ta tạm giả thiết rằng trước thời điểm t=1= thì trong sơ đồ đang có
hai van là T2 và D2 làm việc, lúc đó ta có uT1=u2>0 nhưng T1 còn chưa mở vì chưa có
tín hiệu điều khiển. Tại t=1= thì T1 có tín hiệu điều khiển và đã có đủ 2 điều kiện
để mở. Khi T1 và D2 cùng dẫn dòng ta có:
ud = u2; iT1 = id = I d;
iT2 = 0; iD1 = 0;
iD2 = id = I d; uT1 = 0;
uT2 = -u2; uD1 = -u2; uD2 = 0;
Đến t= thì u2=0 và bắt đầu chuyển sang âm, u2 bắt đầu đặt điện áp thuận lên
T2 và D1, do T2 chưa có tín hiệu điều khiển nên chưa mở, còn D1 là diode nên D1 sẽ
mở. Van D1 mở thì điện áp trên nó giảm xuống bằng không, và ta có uD2 = u2, mà tại
t= thì u2 đang chuyển sang âm nên D2 sẽ bị đặt điện áp ngược và sẽ khoá lại. Mặt
khác do T2 chưa mở mà điện cảm Ld có giá trị rất lớn (ta đang giả thiết Ld=) nên
s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong Ld để tiếp tục duy trì dòng tải sẽ làm cho T1 vẫn dẫn dòng.
Vậy từ t= trong sơ đồ có 2 van là T1 và D1 cùng dẫn dòng. Khi T1 và D1 cùng làm
việc, ta có:
ud = 0; iT1 = id = I d; iT2 = 0; iD1 = id = I d; iD2 = 0;
uT1 = 0; uT2 = -u2; uD1 = 0; uD2 = u2;
Tại t=2=+ thì van T2 có tín hiệu điều khiển, lúc đó T2 đang có điện áp
thuận, T2 mở. Van T2 mở thì uT2 giảm về bằng không nên uT1= u2<0, tức là T1 bị đặt
điện áp ngược và sẽ khoá lại, do vậy từ t=2 trong sơ đồ chỉ có 2 van là T2 và D1
cùng dẫn dòng. Khi 2 van T2 và D1 cùng làm việc, ta có:
ud = -u2; iT1 = 0; iT2 = id = I d; iD1 = id = I d; iD2 = 0;
uT1 = u2; uT2 = 0; uD1 = 0; uD2 = u2;
Đến t=2 thì u2=0 và bắt đầu chuyển sang dương, u2 bắt đầu đặt điện áp thuận
lên T1 và D2, do T1 chưa có tín hiệu điều khiển nên chưa mở, còn D2 là diode nên D2
sẽ mở. Van D2 mở thì điện áp trên nó giảm xuống bằng không, và ta có uD1=-u2, mà tại
t=2 thì u2 đang chuyển sang dương nên D1 sẽ bị đặt điện áp ngược và sẽ khoá lại.
Mặt khác do T1 chưa mở mà điện cảm Ld có giá trị rất lớn (ta đang giả thiết Ld=) nên
s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong Ld để tiếp tục duy trì dòng tải sẽ làm cho T2 vẫn dẫn dòng.
Vậy từ t = 2 trong sơ đồ có 2 van là T2 và D2 cùng dẫn dòng. Khi T2và D2 cùng làm
việc, ta có:
ud = 0; iT1 = 0; iT2 = id = I d; iD1 = 0; iD2 = id = I d;
uT1 = u2; uT2 = 0; uD1 = -u2; uD2 = 0;
Tại t=2=2+ thì van T1 có tín hiệu điều khiển, lúc đó T1 đang có điện áp
thuận, T1 mở. Van T1 mở thì uT1 giảm về bằng không nên uT2=-u2<0, tức là T2 bị đặt
điện áp ngược và sẽ khoá lại, do vậy từ t=3 trong sơ đồ chỉ có 2 van là T1 và D2
cùng dẫn dòng, sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc giống như từ t=1 .
Giai đoạn từ t=0t=1 sẽ hoàn toàn tương tự giai đoạn từ t=2 đến t=3,
hai van T2 và D2 cùng dẫn dòng, điều này hoàn toàn trùng với giả thiết ban đầu.
Dòng qua cuộn dây thứ cấp và sơ cấp máy biến áp cung cấp BA được xác định
như sau:
i2 = iT1 - iD1 = iD2 -iT2; i1 = i2/kba
Đồ thị biểu diễn đường cong điện áp chỉnh lưu, dòng các van, điện áp 2 van T1
và D1, dòng điện cuộn dây sơ cấp BA như hình 2.35.
Các biểu thức cơ bản
(1 cos ) / 2d doU U ; max 22TthU U ; max 22TngU U ; max 22DngU U
/ 2Ttb dI I ; / 2T dI I ; / 2Dtb dI I ; / 2D dI I
Trong cả hai sơ đồ trên thì giá trị hiệu dụng dòng điện cuộn dây thứ cấp và sơ
cấp giống nhau và được xác định bởi các biểu thức:
/)(2 dII
; bakII /21
II.2.2.2 Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha
a/- Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha 6
tiristo
Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha (hình
2.36) gồm có:
BA là máy biến áp cung cấp cho sơ
đồ chỉnh lưu, trong sơ đồ chỉnh lưu
cầu 3 pha thì cũng có thể không cần
sử dụng BA nếu nguồn cung cấp có
điện áp phù hợp với yêu cầu của sơ
đồ và không yêu cầu cách ly về điện
giữa mạch động lực bộ chỉnh lưu với
nguồn điện xoay chiều.
Các van chỉnh lưu có điều khiển từ T1
T6 dùng để biến đổi điện áp xoay
chiều 3 pha bên thứ cấp BA là ua, ub,
uc thành điện áp một chiều đặt lên phụ
tải gồm Rd, Ld, Ed. Chỉ số của các van
trong sơ đồ có khác so với trong sơ đồ
tổng quát đã nêu: nhóm van kaôt
chung thì ký hiệu như sơ đồ tổng quát
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
K (nÐt
®Ëm)
ud
0 6 4 2
0
t
t b
A (nÐt
®Ëm)
Hình 2.37
i
A
iT5 K
A
iT3 iT1 id
ia T1 T3 T5
R
d
a
ud b ib
L
d c ic
E
d T2 T6 T4
iT4 iT6 iT2
* *
* *
*
BA
A iB
*
B
iC C
hình 2.36
còn nhóm van anode chung thì có sự đổi vị trí.
Cách ký hiệu như trên sơ đồ hình 2.36 có một ý nghĩa là chỉ số van trên sơ đồ
nêu lên thứ tự làm việc của các van
Nguyên lý làm việc
Ở đây ta xét một trường hợp với giả thiết điện cảm phụ tải là vô cùng lớn (Ld=).
Trong trường hợp dòng tải là liên tục thì 2 nhóm van trong sơ đồ chỉnh lưu cầu
3 pha làm việc tương tự như hai sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha tương ứng. Dòng qua
các van,điện áp trêncác van hoàn toàn giống như ở các sơ đồ tia 3 pha tương ứng. Để
xác định điện áp chỉnh lưu tức thời ta có thể dựa vào các phương pháp khác nhau: ví
dụ dựa vào thứ tự làm việc của các van ta xác định được trong từng khoảng thời gian 2
van nào của sơ đồ dẫn dòng ta sẽ tìm được ud bằng hiệu điện áp 2 pha mắc với 2 van
dẫn dòng đó: hoặc ta có thể chọn điện thế điểm trung tính nguồn làm mốc (O=0) lúc
đó ta có thể tính được điện thế 2 điểm K và A trên sơ đồ hình 2.36, ta có K bằng điện
áp chỉnh lưu của sơ đồ tia 3 pha các van nối Cathode chung udtK, còn -A bằng bằng
điện áp chỉnh lưu của sơ đồ tia 3 pha các van nối anode chung udtA (K= udtK, A= -
udtA). Ta có thể tóm tắt sự hoạt động của sơ đồ trong hơn một chu kỳ như sau:
- Từ t=0 t=0 và từ t=5 t=6 hai van T4 và T5 cùng dẫn dòng:
ud = uc- ua= uca; iT1= 0;
iT2= 0; iT3= 0; iT4=id=Id; iT5= id=Id; iT6 = 0;
uT1= uac; uT2= uac; uT3= ubc; uT4= 0; uT5= 0; uT6 = uab;
- Từ t=0 t=1 và từ t=6 t=7 hai van T5 và T6 cùng dẫn dòng:
ud = uc- ub= ucb; iT1= 0; iT2= 0; iT3= 0; iT4= 0; iT5= id=Id; iT6 = id=Id;
uT1= uac; uT2= ubc; uT3= ubc; uT4= uba; uT5= 0; uT6= 0;
- Từ t=1 t=2 và sau t=7 hai van T1 và T6 cùng dẫn dòng:
ud = ua- ub= uab; iT1= id=Id; iT2= 0; iT3= 0; iT4= 0; iT5= 0; iT6 = id=Id;
uT1= 0; uT2= ubc; uT3= uba; uT4= uba; uT5= uca; uT6 = 0;
- Từ t=2 t=3 hai van T1 và T2 cùng dẫn dòng:
ud = ua- uc= uac; iT1= id=Id; iT2= id=Id; iT3= 0; iT4= 0; iT5= 0; iT6 = 0;
uT1= 0; uT2= 0; uT3= uba; uT4= uca; uT5= uca; uT6 = ucb;
- Từ t=3 t=4 hai van T2 và T3 cùng dẫn dòng:
ud = ub- uc= ubc; iT1= 0; iT2= id=Id; iT3= id=Id; iT4= 0; iT5= 0; iT6 = 0;
uT1= uab; uT2= 0; uT3= 0; uT4= uca; uT5= ucb; uT6 = ucb;
- Từ t=4 t=5 hai van T3 và T4 cùng dẫn dòng:
ud = ub- ua= uba; iT1= 0; iT2= 0; iT3= id=Id; iT4= id=Id; iT5= 0; iT6 = 0;
uT1= uab; uT2= uac; uT3= 0; uT4= 0; uT5= ucb; uT6 = uab;
Và từ t=7 thì sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc giống như từ t=1.
Đồ thị điện áp chỉnh lưu, dòng các van, dòng các pha nguồn xoay chiều khi máy biến
áp nối Y/Y như trên hình 2.37. Điện áp trên van có dạng giống như ở sơ đồ hình tia 3
pha.
Một số biểu thức tính toán
.cosd doU U ; 2 2(3 6 / ). 2,34doU U U ;
max max 26Tth TngU U U
/3Ttb dI I ; / 3T dI I
Dòng hiệu dụng cuộn dây sơ và thứ cấp máy biến khi tổ nối dâyY/Y
3/22 dT III ; bad kII /3/21
Xác định công suất tính toán máy biến áp:
S2=3U2I2= Ud.Id.(/3)
S1=3U1I1= Ud.Id.(/3)
SttBA= (S1+S2)/2 = S1 = S2 = Ud.Id. (/3) 1,05.Ud.Id
b/- Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển (sử dụng 3 diode 3 thyristor)
Sơ đồ nguyên lý (hình 2.38)
Trong sơ đồ này người ta chỉ sử dụng
một nửa số van là van có điều khiển, còn
lại là các van không điều khiển. ở đây ta
bố trí các diode ở nhóm van anode
chung.
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ
Khi phụ tải thuần trở (Rd0, Ed=0,
Ld=0 )
Trên hình 2.39 biểu diễn K và A tương ứng với một giá trị khác nhau của góc
điều khiển: =300; =60
0; =90
0. Nhìn vào đồ thị ta nhận thấy có thể xẩy ra 2 chế độ
làm khác nhau tương ứng với 2 vùng giá trị của :
Chế độ thứ nhất:
Khi /3 thì dòng tải
liên tục. Sự chuyển mạch dòng điện trong các van nhóm Cathode chung (có điều
khiển) diễn ra ở thời điểm truyền xungđiều khiển đến các van. Sự chuyển mạch dòng
điển trong nhóm van anode chung (không điều khiển) diễn ra tại thời điểm chuyển
mạch tự nhiên.Trong trường hợp này từ đồ thị hình 2.39 ta có:
0 0
1 cos(3/ 2 ) 6 sin( ). ( )
2 20U U U t d t U
d d d
Chế độ thứ hai: Khi 2/3 >/3, dòng qua tải bị gián đoạn. Việc mở các van
trong cả hai nhóm van diễn ra từng cặp tại các thời điểm ta truyền xung điều khiển đến
các van có điều khiển. Sự chuyển mạch dòng điện từ van này sang van khác lúc này
iA
iT3 K
A
iT2 iT1 id
ia T1 T2 T3
Rd a
ud b ib
Ld c
ic
Ed D3 D2 D1 iD1 iD2 iD3
* *
* *
*
BA
A iB
*
B iC
C
Hình 2.38
t
u
=300
0 3
2 4
=600
=900
Hình 2.39
không xảy ra vì dòng tải cũng như dòng qua các van đã bằng không trước thời điểm ta
đưa xung điều khiển đến mở van tiếp theo. Từ đồ thị hình 2.39 ta có:
0
1 cos(3/ 2 ) 6 sin( ). ( )
2 2U U t d t U
d d
Như vậy khi tải thuần trở thì trong cả hai chế độ dòng tải liên tục và gián đoạn
ta đều có chung một biểu thức để xác định điện áp chỉnh lưu trung bình.
Khi điện cảm mạch tải vô cùng lớn (Ld=)
Nghiên cứu sơ đồ trong trường hợp này thuận tiện nhất là xem như nối nối tiếp 2 sơ đồ
chỉnh lưu hình tia 3 pha, một sơ đồ có điều khiển gồm các van T1,T2, T3 nối Cathode
chung và một sơ đồ không điều khiển gồm 3 diode D1, D2, D3, mắc anode chung. Dòng
tải liên tục và bằng phẳng. Với trường hợp này ta có thể coi rằng sơ đồ cầu 3 pha bán
điều khiển bị phân tích thành 2 sơ đồ hình tia 3 pha làm việc độc lập. Điện áp chỉnh
lưu đầu ra của sơ đồ cầu bằng tổng điện áp chỉnh lưu của 2 sơ đồ tia mà một có điều
khiển và một không điều khiển (chú ý rằng điện áp chỉnh lưu trung bình khi =0 của
sơ đồ cầu 3 pha gấp đôi của sơ đồ tia 3 pha):
Ud = Ud0/2 + (Ud0/2).cos = Ud0. (1+cos)/2
So sánh biểu thức này với biểu thức tính Ud khi tải thuần trở ta thấy chúng hoàn
toàn giống nhau. Vậy trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển thì điện áp chỉnh
lưu trung bình khi tải điện trở và khi dòng tải liên tục là như nhau với cùng một giá trị
góc điều khiển.
Nhận xét: Do sử dụng cả các van không điều khiển nên khi sơ đồ chỉnh lưu làm việc
thì dòng điện lưới (nguồn) ngoài các sóng hài bậc lẻ như đã nêu còn có cả các sóng hài
bậc chẵn.
II.3 Các bộ chỉnh lưu mắc song song ngược để đảo chiều điện áp cho tải
2.3.1 Khái niệm chung
Trong nhiều trường hợp ta cần phải thay đổi được chiều dòng qua phụ tải của bộ chỉnh
lưu, mà do tính dẫn dòng một chiều của các van nên ta phải đảo chiều bằng công tắc tơ
hoặc sử dụng các sơ đồ đặc biệt sử dụng hai bộ chỉnh lưu, mà mỗi bộ chỉnh lưu tạo ra
dòng điện theo một hướng. Có hai loại sơ đồ chỉnh lưu điều khiển có đảo chiều là sơ
đồ đấu chéo (chữ thập) và sơ đồ song song ngược. Trong phần này ta chỉ xét một
trường hợp là sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha song song ngược.
Để điều khiển hai bộ chỉnh lưu trong hợp bộ có đảo chiều người ta có thể sử
dụng một số phương pháp khác nhau:
Điều khiển riêng rẽ (điều khiển độc lập) hai sơ đồ chỉnh lưu.
Điều khiển phối hợp hai sơ đồ chỉnh lưu. Trong phương pháp này lại được chia
ra: Điều khiển phối hợp tuyến tính và điều khiển phối hợp phi tuyến.
Phụ thuộc vào phương pháp điều khiển hai sơ đồ chỉnh lưu trong hợp bộ biến
đổi mà sơ đồ mạch động lực bộ biến đổi cũng có sự khác nhau. Khi điều khiển phối
hợp các sơ đồ chỉnh lưu thì trong mạch động lực buộc phải sử dụng các cuộn kháng để
hạn chế dòng điện cân bằng, trên sơ đồ ký hiệu là CB1CB4. Còn khi điều khiển riêng
hai sơ đồ chỉnh lưu thì không cần phải sử dụng cuộn kháng cân bằng. Để giảm bớt các
Hình 2.40
iA
iT5
CB4
CB3
CB2
CB1
iT3
iT1 ia
T1
T3
T5
a
uCB1 uCB2
ud
b
ib
c
ic
T2
T6
T4
iT4
iT6
iT2
*
*
*
* *
BA
A
iB
*
B
iC
C
id Rd Ld Ed
iT11
iT3
T7
T9
T11 T8
T12
T10
iT12
iT8
iT7 iT10
sơ đồ ta chỉ vẽ một sơ đồ chung cho trường hợp điều khiển phối hợp và khi xét trường
hợp điều khiển riêng ta xem như các cuộn kháng này được nối tắt. Sơ đồ bộ biến đổi
có đảo chiều sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha như hình 2.40. Trong sơ đồ này: T1T6 tạo
thành một sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha cho dòng qua tải theo chiều thuận, ta thường gọi
là bộ chỉnh lưu thuận. Các van còn lại T7T12 tạo thành một sơ đồ chỉnh lưu cầu ba
pha cho dòng qua tải theo chiều ngược, ta thường gọi là bộ chỉnh lưu ngược. Phụ tải
của BBĐ được nối giữa các điểm nối chung của hai cặp cuộn kháng cân bằng. Điện áp
trên hai cặp cuộn kháng cân bằng được gọi là điện áp cân bằng và ta ký hiệu là uCB1 và
uCB2 như trên sơ đồ. Điện áp đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu thuận là ud1 còn điện áp đầu ra
của sơ đồ chỉnh lưu ngược ký hiệu là ud2. Điện áp chỉnh lưu tức thời trên phụ tải ud sẽ
được xác định theo biểu thức sau:
ud = ud1 - (uCB1/2) - (uCB2/2) = - ud2 + (uCB1/2) + (uCB2/2).
II.3.2 Các phương pháp khống chế
II.3.2.1 Điều khiển BBĐ đảo chiều theo phương pháp phối hợp tuyến tính.
Đây là một trong các phương pháp điều khiển BBĐ có đảo chiều, khi thực hiện
phương pháp điều khiển này người ta thực
hiện truyền tín hiệu điều khiển đến cả hai
sơ đồ chỉnh lưu với quan hệ giữa góc điều
khiển của hai sơ đồ chỉnh lưu là:
1+ 2=1800.
Trong trường hợp này điện áp chỉnh
lưu trung bình của các sơ đồ chỉnh lưu và
trên phụ tải với giả thiết chế độ dòng liên
tục và bỏ qua tổn thất là:
Ud1=Ud0.cos1; Ud2= Ud0.cos2=
Ud0.cos(1800-1)=-Ud0.cos1
Ud= Ud1=- Ud2=Ud0.cos1.
Như vậy ta thấy rằng thành phần
một chiều của điện áp trên đầu ra của hai
sơ đồ chỉnh lưu là cân bằng nhau nên
chúng không gây nên thành phần dòng
điện khép vòng qua các van của hai sơ đồ
chỉnh lưu. Tuy vậy chúng ta cũng thấy
rằng khi cả hai sơ đồ chỉnh lưu đồng thời
làm việc (tuy góc điều khiển khác nhau)
thì giá trị tức thới của điện áp trên đầu ra
của hai sơ đồ (lấy trước các cuộn kháng
cân bằng) thường không bằng nhau, điều
này tạo nên một sự chênh lệch điện thế và
khi chúng tác động thuận chiều dẫn dòng
của các van trong hai sơ đồ chỉnh lưu sẽ gây nên dòng điện khép vòng qua các van này
và các pha nguồn cung cấp xoay chiều mà không đi qua tải của BBĐ, nóđược gọi là
dòng cân bằng. Do tổng trở của nguồn rất nhỏ nên giá trị dòng điện này có thể rất lớn
làm hỏng các van và phá huỷ chế độ làm việc của BBĐ, vì vậy ta cần phải có các biện
pháp hạn chế dòng điện cân bằng. Như đã biết, thành phần một chiều của dòng cân
bằng không có, vậy dòng cân bằng chỉ có thành phần xoay chiều nên ta có thể sử dụng
các điện cảm để hạn chế (đặc điểm của điện cảm là hạn chế được dòng điện xoay chiều
nhưng lại cho thành phần dòng một chiều qua nó dễ dàng và không gây nên tổn thất
công suất tác dụng). Trong sơ đồ hình 2.40 thì hai cuộn CB1 và CB2 dùng để hạn chế
dòng cân của nhóm van Cathode chung bộ thuận và nhóm van anode chung bộ ngược,
còn CB3 và CB4 thì hạn chế dòng cân bằng qua hai nhóm còn lại.
Khi giả thiết rằng dòng qua các sơ đồ chỉnh lưu ở chế độ liên tục thì ta có đồ thị
điện áp và dòng điện cân bằng của hai trường hợp góc điều khiển khác nhau như hình
2.41.
Ta thấy rằng điện áp cân bằng phụ thuộc rất nhiều vào giá trị góc điều khiển
của các sơ đồ chỉnh lưu. Khi góc điều khiển của một sơ đồthay đổi trong khoảng từ 00
cho đến 600 thì điện áp cân bằng đập mạch 3 lần trong một chu kỳ nguồn, còn khi góc
điều khiển của một sơ đồ nằm trong vùng từ >600
đến 900 thì điện áp cân bằng đập
mạch 6 lần trong một chu kỳ nguồn xoay chiều. Biểu thức điện áp cân bằng uCB1 được
xác định như sau:
Khi 60010
0 thì uCB1=-Umd.sint
Khi 9001>60
0 thì uCB1=-Umd.sint với (2/3-1) t (-2/3+1)
và uCB1= -Umd.sin (t-/3) với (2/3-1) <t và t < (-2/3+1)
Trong đó: Umd là biên độ điện áp dây
Người ta có thể xác định được giá trị trung bình của dòng cân bằng khi biết góc
điều khiển và điện cảm của mỗi cuộn kháng cân bằng LCB. Đồ thị biểu diễn giá trị
tương đối của thành phần trung bình dòng cuộn kháng cân bằng so với giá trị cực đại
t t
t
uCB1 (nét liền) uCB 1 = 2 = 900 1 = 600
0
/3
4/3 2/3
0
uCB1
0
iCB1 (nét đậm) iCB
t 0
iCB1
Hình 2.41
của nó được cho trên hình 2.42b. Hình 2.42a là đường cong biểu diễn quan hệ Ud=f
() khi giả thiết dòng tải là liên tục.
Giá trị cực đại của dòng cân bằng:
ICBm=Umd/ (2LCB).
Giá trị trung bình của dòng cân bằng:
-Khi 60010
0 và khi 90
01>60
0 và với (2/3-1) t (-2/3+1):
ICBtb=[ (3Umd)/ (2LCB)]. (sin+cos)
-Khi 9001>60
0 và với (2/3-1) <t và t < (-2/3+1):
)]cos)2/(sin)6/21)].[(2/()3[( CBmdCBtb LUI
Khi điều khiển các sơ đồ chỉnh lưu trong BBĐ đảo chiều theo phương pháp
phối hợp tuyến tính, nếu chế độ dòng là liên tục thì ta có: nếu bộ chỉnh lưu thuận có
góc điều khiển 1<900, nó sẽ làm việc trong chế độ chỉnh lưu, thì bộ chỉnh lưu ngược
sẽ có góc điều khiển 2=1800- 1>90
0, như vậy bộ chỉnh lưu ngược sẽ làm việc trong
chế độ nghịch lưu. Trong thực tế thì khi bộ chỉnh lưu thuận đang làm việc ở chế độ
chỉnh lưu thì bộ chỉnh lưu ngược không làm việc ở chế độ nghịch lưu vì lúc đó không
có thành phần dòng điện từ tải qua bộ chỉnh lưu ngược, lúc này qua bộ ngược chỉ có
dòng cân bằng xoay chiều mặc dù góc điều khiển của nó nằm trong vùng nghịch lưu,
trường hợp này người ta nói rằng bộ ngược làm việc ở chế độ chờ nghịch lưu. Ngược
lại khi bộ ngược đang làm việc ở chế độ nghịch lưu thì lúc đó theo điều kiện nghịch
lưu ta có Ed>0 và |Ed|>|Ud| nên dòng từ tải khép qua bộ chỉnh lưu ngược về nguồn và
không có dòng từ nguồn qua bộ chỉnh lưu thuận sang tải (do giá trị s.đ.đ. phụ tải lớn
hơn điện áp chỉnh lưu trung bình của bộ thuận mà các van thì không cho dòng đi
ngược chiều), như vậy khi đó qua bộ thuận chỉ có dòng cân bằng xoay chiều mà không
có dòng tải, tức là bộ chỉnh lưu thuận chưa làm việc ở chế độ chỉnh lưuvà người ta nói
bộ chỉnh lưu thuận làm việc ở chế độ chờ chỉnh lưu.
Khi sử dụng phương pháp điều khiển phối hợp tuyến tính làm xuất hiện dòng
điện cân bằng làm ta phải tăng kích thước BBĐ (do có cuộn kháng cân bằng), tăng
công suất tính toán của máy biến áp để bù tổn thất do dòng cân bằng. Tuy vậy phương
Ud
-
Ud2
-
0,4
-
ICBtb*
-
0,5
- 0,3
- 0,2
- 0,1
- 00 30
0 60
0 90
0 120
0 150
0 180
0
-
Ud1=Ud
-
1
-
-
1800
-
00
-
900
-
a
-
b
-
Hình 2.42
pháp điều khiển này cũng hay được sử dụng vì nó có độ tác động nhanh cao nhất, quan
hệ giữa góc điều khiển và điện áp chỉnh lưu trung bình là đơn trị.
Giá trị điện cảm của cuộn kháng cân bằng được chọn sao cho trong trường hợp
xấu nhất thì giá trị trung bình của dòng cân bằng không được vượt quá 10% dòng tải
định mức theo tính toán.
Với mục đích đảm bảo việc hạn tốt thành phần dòng cân bằng xoay chiều mà
không cần tăng điện cảm của cuộn kháng cân bằng người ta sử dụng phương pháp điều
khiển phối hợp phi tuyến,trong trường hợp này ta có:
1+ 2=1800+2
Với việc tăng giá trị thì giá trị trung bình của dòng cân bằng giảm khá mạnh,
tuy nhiên phương pháp này ít được dùng vì nó tạo nên một khoảng cùng một giá trị
góc điều khiển nhưng điện áp trên tải có thể có hai giá trị khác nhau, thời gian
ngừng dòng khi đảo chiều lớn, làm xấu các chỉ tiêu chất lượng động khi tải có s.đ.đ. và
tải có điện cảm lớn.
II.3.2.2 BBĐ đảo chiều điều khiển riêng
Đây cũng là một phương pháp điều khiển các BBĐ có đảo chiều dòng được sử dụng
khá phổ biến trong thực tế. Nội dung của phương pháp điều khiển này là ta cho các bộ
chỉnh lưu thuận và ngược làm việc riêng rẽ: Khi cần có dòng qua tải theo chiều thuận
ta cho bộ chỉnh lưu thuận làm việc bằng cách truyền tín hiệu điều khiển đến các van
của nó, còn bộ chỉnh lưu ngược thì không được cấp xung điều khiển và không làm
việc. Khi cần dòng điện tải theo chiều ngược thì ta lại cấp xung điều khiển cho bộ
chỉnh lưu ngược để nó làm việc và cắt xung bộ chỉnh lưu thuận để nó không làm việc.
Như vậy khi BBĐ đảo chiều làm việc thì chỉ có một trong hai sơ đồ chỉnh lưu được
cấp tín hiệu điều khiển và làm việc còn sơ đồ kia thì nghỉ hoàn toàn nên không có
dòng cân bằng qua hai bộ chỉnh lưu, đây là ưu điểm cơ bản nhất của phương pháp điều
khiển này, nó cho phép ta không phải dùng các cuộn kháng cân bằng. Nhưng cũng do
để không xuất hiện dòng cân bằng mà ta phải đảm bảo điều kiện là bộ chỉnh lưu làm
việc ở giai đoạn trước đã khoá một cách chắc chắn mới được phép truyền xung điều
khiển đến bộ chỉnh lưu khác khi cần đảo dòng tải. Điều này xuất hiện khoảng ngừng
dòng khi đảo chiều mà thời gian ngừng ngắn nhất cũng phải cỡ vài ms, nó hạn chế độ
tác động nhanh của BBĐ.
BBĐ đảo chiều điều khiển riêng có đặc tính ngoài tương tự như của BBĐ
không đảo chiều, nó được đặc trưng bởi vùng dòng gián đoạn lớn hơn nhiều so với
việc điều khiển phối hợp tuyến tính. Các BBĐ đảo chiều điều khiển riêng có thể được
sử dụng tốt trong các hợp bộ có bộ điều chỉnh đặc biệt, nó điều chỉnh được sự thay đổi
các tham số của BBĐ và ứng dụng các thiết bị chuyển mạch nhanh và chính xác để
giảm thời gian ngừng dòng khi đảo chiều. Hiện nay người ta thường sử dụng các thiết
bị chuyển mạch bằng các dụng cụ lôgic bán dẫn và vi điện tử có độ chính xác cao kết
hợp với các thiết bị đo lường với độ nhạy cao nên thời gian ngừng dòng khi đảo được
được giảm đến mức nhỏ nhất.
II.4. Các phương pháp tạo xung điều khiển
II.4.1 Tổng quan về mạch tạo xung điều khiển
Phần trước chúng ta đã nghiên cứu sự hoạt động sơ đồ mạch động lực bộ chỉnh lưu có
điều khiển. Như đã biết, để các van của bộ chỉnh lưu có thể mở tại các thời điểm mong
muốn thì ngoài điều kiện tại thời điểm đó trên van phải có điện áp thuận thì trên điện
cực điều khiển và Cathode của van phải có một điện áp điều khiển (mà ta thường gọi
là tín hiệu điều khiển). Để có hệ thống các tín hiệu điều khiển xuất hiện đúng theo yêu
cầu mở van đã nêu người ta phải sử dụng một mạch điện tạo ra các tín hiệu đó. Mạch
điện dùng để tạo ra các tín hiệu điều khiển được gọi là mạch điều khiển hay còn gọi là
hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu. Điện áp điều khiển các thyristor phải đáp ứng được
các yêu cầu cần thiết về công suất, biên độ cũng như thời gian tồn tại. Các thông số
cần thiết của tín hiệu điều khiển được cho sẵn trong các tài liệu tra cứu về van. Do đặc
điểm của thyristor là khi van đã mở thì việc còn tín hiệu điều khiển nữa hay không
không ảnh hưởng đến dòng qua van, vì vậy để hạn chế công suất của mạch phát tín
hiệu điều khiển và giảm tổn thất trên vùng điện cực điều khiển người thường tạo ra các
tín hiệu điều khiển thyristor có dạng các xung, do đó mạch điều khiển còn được gọi là
mạch phát xung điều khiển. Các xung điều khiển được tính toán về độ dài xung sao
cho đủ thời gian cần thiết (với một độ dự trữ nhất định) để mở van với mọi loại phụ tải
có thể có khi sơ đồ làm việc. Thông thường độ dài xung nằm trong giới hạn từ 200 s
đến 600 s.
Các hệ thống phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu hiện nay đang sử dụng có thể
phân làm 2 nhóm:
Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ: Đây là nhóm các hệ thống điều khiển
mà các xung điều khiển xuất hiện trên điện cực điều khiển các thyristor đúng thời
điểm cần mở van và lặp đi lặp mang tính chu kỳ với chu kỳ thường là bằng chu kỳ
nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu (trong một vài trường hợp chu kỳ của
xung có thể bằng 1/2 chu kỳ điện áp nguồn). Nhóm hệ thống điều khiển này đang
được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Trong chương trình môn học này ta chỉ đi vào
nghiên cứu các hệ thống điều khiển thuộc nhóm này.
Nhóm các hệ thống điều khiển không đồng bộ: Các hệ thống điều khiển thuộc
nhóm này tạo ra các xung điều khiển không tuân theo giá trị góc điều khiển như đã nêu
ở phần trước. Các hệ thống điều khiển này phát ra chuỗi xung điều khiển với tần số
thường cao hơn rất nhiều tần số nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và
trong quá trình làm việc tần số xung được tự động thay đổi để đảm bảo cho một đại
lượng đầu ra nào đó, ví dụ như Ud hay Id ... không thay đổi. Để đạt được điều này thì
người ta thực hiện khống chế tần số xung điều khiển theo sai lệch giữa tín hiệu đặt và
tín hiệu ra thực tế của đại lượng cần ổn định. Như vậy các hệ thống phát xung loại này
buộc phải thực hiện ở dạng hệ thống có phản hồi, tức là hệ thống kín. Các hệ thống
điều khiển này tương đối phức tạp và ở đây ta sẽ không xét.
Các hệ thống điều khiển đồng bộ thường sử dụng hiện nay bao gồm:
Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha đứng.
Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha ngang.
Hệ thống điều khiển chỉnh lưu dùng diode hai cực gốc (transitor một tiếp giáp).
II.4.2 Mạch tạo xung theo pha đứng
II.4.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển theo pha đứng
Khi nghiên cứu các mạch phát xung theo nguyên tắc pha đứng người ta thấy rằng có
thể phân chia các mạch điện hệ thống ra làm 3 khối có chức năng khác nhau như sơ đồ
hình 2-43. Trong đó gồm:
Khối 1: Khối đồng bộ hoá và phát điện áp răng cưa (ĐBH-FSRC).
Khối 2: Khối so sánh (SS).
Khối 3: Khối tạo xung (TX).
Trong đó:
ul: là điện áp lưới (nguồn) xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu.
urc: điện áp tựa thường có dạng hình răng cưa lấy từ đầu ra khối ĐBH-
FSRC.
uđk: điện áp điều khiển, đây là điện áp một chiều được đưa từ ngoài vào
dùng để điều khiển giá trị góc .
uđkT: điện áp điều khiển thyristor, là chuỗi các xung điều khiển lấy từ đầu ra
hệ thống điều khiển (cũng là đầu ra của khối TX) và được truyền đến điện
cực điều khiển (G) và Cathode (K) của các thyristor.
Nguyên lý cơ bản của hệ thống điều khiển theo nguyên tắc pha đứng có thể tóm
tắt như sau:
Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực bộ chỉnh lưu được đưa đến mạch
đồng bộ hoá của khối 1 và trên đầu ra của mạch đồng bộ ta có các điện áp thường có
dạng hình sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và
trùng pha hoặc lệch 1 góc pha xác định so với điện áp nguồn. Điện áp này được gọi là
điện áp đồng bộ và ký hiệu là uđb. Các điện áp đồng bộ được đưa vào mạch phát điện
áp răng cưa để khống chế sự làm việc của mạch điện này, kết quả là trên đầu ra mạch
phát điện áp răng cưa ta có một hệ thống các điện áp dạng hình răng cưa đồng bộ về
tần số và góc pha với các điện đồng bộ. Các điện này được gọi là điện áp răng cưa urc.
Các điện áp răng cưa được đưa vào đầu vào khối SS và ở đó còn có một tín hiệu khác
nữa là điện áp điều khiển một chiều điều chỉnh được và được đưa từ ngoài vào, hai tín
hiệu này được mắc với cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch vào khối SS là
ngược chiều nhau. Khối SS làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này và tại những thời
điểm hai tín hiệu này có giá trị tuyệt đối bằng nhau thì đầu ra khối SS sẽ thay đổi trạng
thái. Như vậy khối SS là một mạch điện hoạt động theo nguyên tắc biến đổi tương tự-
§BH
FSRC
u®kT ul urc
TX SS
u®k
Khèi 3 Khèi 2 Khèi 1
Hình 2.43
số. Do tín hiệu ra của mạch SS là dạng tín hiệu số nên chỉ có hai giá trị có hoặc không.
Tín hiệu trên đầu ra khối SS là các xung xuất hiện với chu kỳ bằng chu kỳ của urc, nếu
thời điểm bắt đầu xuất hiện của một xung nằm trong vùng sườn xung nào của urc thì
sườn xung ấy của urc được gọi là sườn sử dụng. Điều này có nghĩa rằng: Tại thời điểm
|urc| = |uđk| ở phần sườn sử dụng trong 1 chu kỳ của điện áp răng cưa thì trên đầu ra
khối SS sẽ bắt đầu xuất hiện một xung điện áp. Từ đó ta thấy: có thể thay đổi thời
điểm xuất hiện của xung đầu ra khối SS bằng cách thay đổi giá trị của uđk khi giữ
nguyên dạng urc. Trong một số trường hợp thì xung ra từ khối SS được đưa đến điện
cực điều khiển của thyristor, nhưng trong đa số các trường hợp thì tín hiệu ra khối so
sánh chưa đủ các yêu cầu cần thiết đối với tín hiệu điều khiển thyristor. Để có tín hiệu
đủ yêu cầu người ta thực hiện việc khuếch đại, thay đổi lại hình dạng của xung, v.v,...
Các nhiệm vụ này được thực hiện bởi một mạch điện gọi là mạch tạo xung (TX), cuối
cùng trên đầu ra khối TX ta có chuỗi xung điều khiển (uđkT) có đủ các thông số yêu
cầu về công suất, độ dài, độ dốc mặt đầu của xung, v.v,... nhưng thời điểm bắt đầu
xuất hiện của các xung thì hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra
khối SS. Vậy thời điểm xuất hiện của tín hiệu điều khiển trên điện cực điều khiển và
Cathode của thyristor chính cũng là thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối so sánh, tức
là khối SS đóng vai trò xác định giá tri góc điều khiển . Như đã nêu ở trên, ta có thể
thay đổi thời điểm xuất hiện xung ra khối SS bằng cách thay đổi giá trị uđk. Vậy điều
khiển giá trị điện áp điều khiển uđk ta điều khiển được giá trị góc điều khiển .
Trong sơ đồ chỉnh lưu cầu hoặc sơ đồ tia nhiều pha ta có nhiều thyristor. Để tạo
ra nhiều tín hiệu điều khiển cho nhiều van trong hệ thống điều khiển này có 2 phương
pháp:
Sử dụng nhiều mạch phát xung giống hệt nhau, trong mỗi mạch đều có các khối
giống nhau và chúng chỉ khác nhau tín hiệu điện áp lưới (khác pha) đặt vào
mạch đồng bộ. Mỗi mạch phát xung được dùmg để tạo xung điều khiển cho một
van hoặc một số van mắc nối tiếp hoặc song song. Mạch điều khiển loại này
được gọi là mạch (hệ thống) nhiều kênh (mỗi mạch phát xung cho một van
được gọi là một kênh điều khiển).
Người ta sử dụng chung một mạch đồng bộ, một mạch tạo điện áp răng cưa,
một khối so sánh, như vậy xung ở đầu ra khối SS thường có tần số gấp n lần tần
số nguồn (n bằng q). Lúc đó để có n (hay q) kênh xung khác nhau có tần số
bằng tần số nguồn thì trong khối TX phải có thêm một mạch điện làm nhiệm vụ
phân chia xung. Mạch điều khiển loại này được gọi là mạch điều khiển một
kênh (chỉ có một khối so sánh). Loại mạch điều khiển này tuy phức tạp hơn
nhiều so với loại nhiều kênh nhưng xung điều khiển ở các van có độ đối xứng
cao hơn nhiều nên cũng thường được sử dụng, nhất là khi có yêu cầu cao về
chất lượng đối với bộ chỉnh lưu.
Sau đây ta sẽ xét chi tiết các phần mạch điện của hệ thống điều khiển. Ta giả
thiết là hệ thống điều khiển nhiều kênh và chỉ cần xét một kênh, các kênh còn lại
tương tự.
II.4.2.2 Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa
Hình 2.44
R1
u®b R2 ul
Hình 2.45
* *
ul u®b
BA§
A * *
B * *
C * *
u®ba
u®bb
u®bc
0 BA§
Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ nguồn
xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và điều khiển được thời điểm xuất hiện của
chúng trong mỗi chu kỳ thì các nghiên cứu đã chỉ ra rằng: tốt nhất là sử dụng các mạch
phát xung mà một trong các tín hiệu điều khiển nó là tín hiệu cũng biến đổi một cách
chu kỳ với chu kỳ như của tín hiệu ra và dạng tốt nhất là hình răng cưa. Vì vậy mà
chúng ta cần phải có mạch điện để tạo ra các điện áp răng cưa và được gọi là mạch
phát sóng răng cưa (FSRC). Mặt khác, kỹ thuật điện-điện tử cũng chỉ ra rằng để có
điện áp dạng răng cưa có tần số và thời điểm đầu
của mỗi xung răng cưa phù hợp với tần số và góc
pha của nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ
chỉnh lưu thì tốt nhất là sử dụng các sơ đồ tạo
điện áp răng cưa được điều khiển bởi điện áp
biến thiên cùng tần số. Dạng của điện áp điều
khiển mạch tạo điện áp răng cưa có thể bất kỳ.
Để có các điện áp này người ta sử dụng một mạch điện được gọi là mạch đồng bộ hoá
(gọi tắt là mạch đồng bộ) và điện áp ra của mạch đồng bộ gọi là điện áp đồng bộ, ký
hiệu là uđb.
a/- Mạch đồng bộ hoá
Để tạo ra điện áp đồng bộ đảm bảo yêu cầu đặt ra người ta thường sử dụng hai kiểu
mạch đơn giản:
Mạch phân áp bằng các điện trở hoặc bằng điện trở kết hợp điện dung hay điện
cảm: Trong mạch đồng bộ này điện áp đầu vào là điện áp lưới điện xoay chiều cung
cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, điện áp ra cũng là điện áp xoay chiều hình sin cùng tần số
trùng hoặc lệch một góc pha xác định.
Kiểu mạch đồng bộ này ít được sử dụng vì có sự liên hệ trực tiếp về điện giữa
mạch động lực và mạch điều khiển bộ chỉnh lưu.
Mạch đồng
bộ dùng máy biến áp: Trong trường hợp này người ta sử dụng một máy biến áp công
suất nhỏ thường là máy biến áp hạ áp để tạo ra điện áp đồng bộ. Điện áp lưới ul được
đặt vào cuộn sơ cấp còn bên thứ cấp ta lấy ra điện áp đồng bộ uđb. Máy biến áp để tạo
ra điện áp đồng bộ được gọi là máy biến áp đồng bộ và ký hiệu là BAĐ, nó có thể là
loại một pha hoặc nhiều pha tuỳ theo sơ đồ chỉnh lưu cụ thể.
b/- Mạch phát sóng răng cưa
Sơ đồ mạch phát sóng răng cưa dùng diode, điện trở, tụ điện (mạch D-R-C)
Giới thiệu sơ đồ:
Hình 2.47
Urcmax
urc
u®b u
3
2
1 t 3 2
Sơ đồ mạch phát sóng răng cưa trên
hình 2.46 bao gồm:
BAĐ là máy biến áp đồng bộ
hoá, đây là phần mạch đồng bộ.
diode D,điện trở R,tụ điện C là
các phần tử cơ bản của mạch tạo
điện áp răng cưa.
Các điện áp ul,uđb,uc,urc lần lượt
là điện áp nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu,điện áp đồng bộ
hoá,điện áp trên tụ điện C và
điện răng cưa đầu ra của sơ
đồ.
Nguyên lý làm việc:
Ta giả thiết rằng: tại t=0 thì
uđb=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu
kỳ dương, điện áp trên tụ đang bằng
không (uc=0).
Như vậy thì sau thời điểm
t=0 thì uđb>0 nên diode D được đặt điện áp thuận và D mở, tụ điện C sẽ được nạp
điện bởi nguồn điện áp đồng bộ qua diode D đang mở. Điện áp trên tụ C tăng dần theo
thời gian và khi t=1 thì uc = uđb, lúc này điện áp đồng bộ đã ở giai đoạn giảm của
nửa chu kỳ dương nên sau thời điểm t=1 thì D bị đặt điện áp ngược và D khoá lại.
diode D khoá thì sự nạp điện của tụ cũng kết thúc, tụ bắt đầu phóng điện qua điện trở
R. Quá trình phóng điện làm cho điện áp trên tụ giảm dần và đến t=2 thì điện áp trên
tụ lại bằng điện áp đồng bộ đang ở giai đoạn tăng trong nửa chu kỳ dương của chu kỳ
tiếp theo, D lại được phân cực thuận và lại mở, tụ lại được nạp. Quá trình ở các chu kỳ
sau diễn ra lặp lại tương tự. Điện áp đầu ra của sơ đồ bằng điện áp trên tụ C (urc = uc).
Người ta tính chọn giá trị điện trở R và tụ điện C sao cho 22 nhưng 2>2. Với
mạch tạo điện áp răng cưa này người ta chọn sườn sử dụng là phần sườn sau.
Nếu ta gọi biên độ điện áp răng cưa (điện áp trên C) là Urcmax thì biểu thức điện
áp trên tụ trong giai đoạn phóng điện là:
ucp = Urcmax.e- (t -2/ )/ RC
Sơ đồ này có ưu điểm là rất đơn giản, nhưng lại có các nhược điểm là dạng điện
áp trên đầu ra khác nhiều so với dạng đường điện áp răng cưa lý tưởng và biên độ điện
áp răng cưa phụ thuộc nhiều vào biên độ điện áp đồng bộ nên ít được dùng.
Sơ đồ mạch phát sóng răng cưa dùng mạch D-R-C nạp điện cho tụ bằng nguồn
một chiều ổn định
Giới thiệu sơ đồ:
Trong sơ đồ này gồm có:
urc *
M¹ch ®ång bé
D
ul R C uc *
u®b
BA§
Hình 2.46
*
M¹ch ®ång
bé
+ Un -
D2
D1 ul C
a
urc
o
uc *
u®b
BA§
R R1
Hình 2.48
Hình 2.49
Urcmax urc
u®b u
2 1 1' t
3 2
BAĐ là máy biến áp đồng bộ thuộc phần mạch đồng bộ hoá.
D1,D2,C,R,R1 các phần tử của mạch tạo điện áp răng cưa.
Các điện áp trong sơ đồ cũng tương tự như sơ đồ hình 2.46, chỉ khác là trong sơ
đồ này có thêm nguồn điện áp một chiều ổn định Un dùng để nạp cho tụ điện C.
Nguyên lý làm việc
Ta giả thiết rằng: tại t=0 thì uđb=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương, tại
t=0 điện áp trên tụ C đang bằng không (uc=0).
Vậy sau thời điểm t=0 thì uđb>0 nên trên D1 và D2 đều có điện áp ngược, cả 2
diode đều khoá. Các diode D1, D2 khoá, dẫn đến tụ C được điện nạp từ nguồn một
chiều ổn định Un. Điện áp trên tụ tăng dần theo biểu thức sau:
uc = Un. (1-e-t/
) với =R.C là hằng số thời gian mạch nạp của tụ.
Đến t=1 thì điện áp trên tụ bằng giá trị tức thời của điện áp đồng bộ mà từ
thời điểm đó điện áp đồng bộ đang giảm (nửa sau của nửa chu kỳ dương uđb), do vậy
mà sau t=1 van D2 được phân cực thuận, dẫn đến D2 mở. Van D2 mở thì tụ ngừng
nạp và bắt đầu phóng điện qua cuộn thứ cấp máy biến áp đồng bộ và diode D2. Đến
t=1' thì điện áp trên tụ giảm đến bằng không và D1 mở nên điện áp trên tụ giữ
nguyên giá trị bằng không cho đến thời điểm t=2. Tại t=2 thì uđb=0 và lại bắt đầu
chuyển sang dương, các diode bị đặt điện áp ngược nên khoá lại do vậy tụ C lại được
nạp tương tự như từ t=1 và sự
làm việc của sơ đồ lặp lại như chu
kỳ vừa xét. Điện áp răng cưa đầu ra
cũng chính là điện áp trên tụ C và
dạng điện áp ra urc cũng được cho
trên hình 2.49.
Với sơ đồ này thì biên độ
điện áp răng cưa cũng phụ thuộc
vào biên độ điện áp đồng bộ nhưng
dạng điện áp ra đã gần với hình răng cưa hơn sơ đồ trước. Để tăng độ tuyến tính phần
sườn sử dụng của điện áp răng cưa (trong sơ đồ này ta sử dụng phần sườn trước) thì
người ta tăng hằng số thời gian mạch nạp bằng cách tăng giá trị R hoặc C, thường tăng
R. Mặt khác do =R.C tăng thì biên độ urc có xu hướng giảm đi, vì vậy muốn có biên
độ không đổi khi tăng =R.C ta phải tăng giá trị của nguồn nạp Un theo. Thông
thường với sơ đồ này thì Un được chọn lớn hơn biên độ điện áp răng cưa Urcmax từ 5
đến 7 lần. Loại sơ đồ này hiện nay cũng ít được sử dụng vì chất lượng điện áp ra kém,
độ dài sườn sử dụng của điện áp răng cưa nhỏ hơn 1800 điện.
Sơ đồ mạch phát sóng răng cưa dùng D-R-C và transitor
Giới thiệu sơ đồ
Trong sơ đồ này (hình 2.50) có:
Hình 2.50
urc
o
a
*
M¹ch ®ång bé D
ul
WR R1
+Ucc
R3
Tr
R4 R2
1
uc
*
u®b
BA§
C
Hình 2.51
Urcmax urc
u®b u
1
t
3 2
BAĐ là máy biến áp đồng bộ
để tạo ra tín hiệu đồng bộ
hoá.
diode D, transitor Tr, các
điện trở R1, R2, R3, R4 và
biến trở WR, tụ điện C là các
phần tử của mạch phát điện
áp răng cưa.
Điện áp nguồn xoay chiều
cấp cho sơ đồ chỉnh lưu ul, điện áp đồng bộ uđb, điện áp một chiều cung cấp cho
sơ đồ tạo sóng răng cưa Ucc, điện áp đầu ra của sơ đồ urc được ký hiệu như hình
vẽ.
Nguyên lý làm việc:
Ta giả thiết rằng: tại t=0 thì uđb=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương, tại
t=0 điện áp trên tụ C đang bằng không (uc=0).
Vậy sau thời điểm t=0 thì uđb>0 (điểm a dương hơn điểm o) nên trên D được
đặt điện áp thuận, D sẽ mở dẫn đến sẽ có dòng điện từ cuộn thứ cấp BAĐ đi qua R2 và
diode D, nếu bỏ qua sụt điện áp rất nhỏ trên cuộn dây máy biến áp đồng bộ hoá và trên
diode D thì trên R2 được đặt điện áp bằng toàn bộ s.đ.đ. thứ cấp BAĐ, tức là uđb. Điện
sụt trên R2 lúc này có thế dương đặt vào cực phát Tr,còn thế âm đặt vào cực gốc Tr, do
vậy mạch gốc-phát transitor của Tr bị đặt điện áp ngược và Tr khoá (không có dòng
cực góp). Tr khoá thì tụ C được nạp từ nguồn một chiều cung cấp cho sơ đồ có giá trị
ổn định là Ucc qua điện trở R3 và biến trở WR. Điện áp trên tụ tăng dần theo biểu thức
sau:
uc=Ucc. (1-e-t/
) với = (R3+WR).C là hằng số thời gian mạch nạp của tụ.
Đến t= thì điện áp đồng
bộ uđb = 0 và bắt đầu chuyển sang
nửa chu kỳ âm (điểm a trở nên âm
hơn điểm o). Van D bị đặt điện áp
ngược và khoá lại do vậy điện áp
đồng bộ không còn tác động đến
mạch gốc-phát của Tr nữa, lúc này
dưới tác động của nguồn cung cấp
một chiều qua điện trở định thiên
R1 trong mạch định thiên theo kiểu phân áp gồm R1 và R2 mà Tr mở. Tr mở thì tụ C
ngừng nạp và bắt đầu phóng điện qua mạch góp-phát của transitor Tr và điện trở bảo
vệ transitor là R4, người ta tính chọn các điện trở R1, R2 và Tr sao cho Tr mở bão hoà
với điện trở tổng mạch cực góp là R3+WR. Vậy tụ C sẽ ngừng phóng khi điện áp trên
tụ giảm xuống bằng sụt điện áp bão hoà của Tr cộng với sụt áp trên R4 gây nên bởi
dòng mở bão hoà của Tr: uR4Ucc.R4/ (R3+WR). Sụt điện áp bão hoà trên một transitor
mở rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua, mặt khác do R4<< (WR+R3) nên cũng có thể bỏ qua
sụt áp trên R4 (tức là uR4=0). Như vậy thì tụ C sẽ phóng đến điện áp bằng không (tại
t=1) và do Tr vẫn mở nên điện áp trên tụ giữ nguyên giá trị bằng không cho đến thời
điểm t=2. Tại t=2 thì uđb=0 và lại bắt đầu chuyển sang dương, diode D lại được
đặt điện áp thuận nên lại mở và Tr lại khoá, do vậy tụ C lại được nạp tương tự như từ
t=0 và sự làm việc của sơ đồ lặp lại như chu kỳ vừa xét. Điện áp răng cưa đầu ra
cũng chính là điện áp trên tụ C và dạng điện áp ra urc được cho trên hình2.51. Với sơ
đồ này thì biên độ điện áp răng cưa không phụ thuộc vào biên độ điện áp đồng bộ,
dạng điện áp ra đã gần với hình răng cưa và độ dài sườn trước (giai đoạn nạp tụ) đã đạt
đến 1800 điện. Trong sơ đồ này ta sử dụng phần sườn trước. Để sườn sử dụng có dạng
đường thẳng (tuyến tính) ta nạp tụ bởi nguồn dòng không đổi như sơ đồ sau (hình
2.52). Trong sơ đồ trên thì R4 là để hạn chế biên độ dòng phóng của tụ qua Tr mở để
bảo vệ Tr, còn biến trở WR dùng để chỉnh định biên độ điện áp răng cưa cho phù hợp
yêu cầu.
Sơ đồ mạch phát sóng răng cưa dùng D-R-C và transitor,
nạp tụ bởi dòng không đổi
Giới thiệu sơ đồ
Trên sơ đồ này (hình 2.52) gồm có:
BAĐ là máy biến áp đồng
bộ để tạo ra tín hiệu đồng bộ
hoá.
Các phần tử còn lại là mạch
tạo điện áp răng cưa, trong
đó mạch điện gồm Tr2, Dz,
R4, WR là mạch ổn định
dòng để nạp tụ.
ul là điện áp nguồn xoay
chiều cấp cho sơ đồ chỉnh lưu; uđb điện áp đồng bộ; Ucc điện áp một chiều cung
cấp cho sơ đồ tạo sóng răng cưa; urc điện áp răng cưa đầu ra của sơ đồ; U0 là
điện áp ổn định trên diode ổn áp Dz; ic1, ic2 và ie2 là dòng cực góp Tr1, Tr2 và
dòng cực phát của Tr2.
Nguyên lý làm việc:
Trước tiên ta giới thiệu sơ lược nguyên lý của mạch tạo ra dòng điện không đổi
(ổn dòng): Ta có điện áp giữa cực phát và gốc Tr2 là:
ueb2 = U0 - ie2.RWR
Với RWR là trị số điện trở của biến trở WR. Do sụt điện áp giữa cực phát và cực
gốc của một transitor hầu như không thay đổi khi dòng cực gốc thay đổi nên ta xem
ueb2 =A=const. Vậy ta có: ie2 = (U0 - ueb2)/RWR=I= const, mặt khác ta lại có
ic2ie2=I=const. Tức là dòng điện qua cực góp Tr2 có giá trị không đổi.
Ta giả thiết rằng: tại t=0 thì uđb=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương,
tại t=0 điện áp trên tụ C đang bằng không (uc=0).
o
a
e2
ie2
ic1
b2
ic2 c2
urc *
M¹ch ®ång bé
D
ul
R1
+Ucc
R3
Tr2
Tr1
R4 R2
1
Dz
uc
*
u®b
BA§
C
WR
U0
Hình 2.52
Hình 2.53
Urcmax
u®b u
1 t
3 2
urc
Vậy sau thời điểm t=0 thì uđb>0 (điểm a dương hơn điểm o) nên trên D được
đặt điện áp thuận, D sẽ mở dẫn đến sẽ có dòng điện từ cuộn thứ cấp BAĐ đi qua R2 và
diode D, nếu bỏ qua sụt điện áp rất nhỏ trên cuộn dây máy biến áp đồng bộ hoá và trên
diode D thì trên R2 được đặt điện áp bằng toàn bộ s.đ.đ. thứ cấp BAĐ, tức là uđb. Điện
sụt trên R2 lúc này có thế dương đặt vào cực phát Tr1, còn thế âm đặt vào cực gốc Tr1,
do vậy mạch gốc-phát transitor Tr1 bị đặt điện áp ngược và Tr1 khoá (không có dòng
cực góp). Transitor Tr1 khoá thì tụ C được nạp điện bởi dòng cực góp Tr2 có giá trị ổn
định I. Điện áp trên tụ tăng dần theo qui luật:
uc = I.t /C đây là qui luật tuyến tính.
Đến t= thì điện áp đồng bộ uđb = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ âm
(điểm a trở nên âm hơn điểm O). Van D bị đặt điện áp ngược và khoá lại do vậy điện
áp đồng bộ không còn tác động đến mạch gốc-phát của Tr1 nữa, lúc này dưới tác động
của nguồn cung cấp một chiều qua điện trở định thiên R1 trong mạch định thiên theo
kiểu phân áp gồm R1 và R2 mà Tr1 mở. Khi Tr1 mở thì tụ ngừng nạp và bắt đầu phóng
điện qua mạch góp-phát của transitor Tr1 và điện trở bảo vệ transitor là R3,người ta
tính chọn các điện trở R1, R2 và Tr1 sao cho Tr1 mở bão hoà với dòng điện cực góp là
I.
Vậy tụ C sẽ ngừng phóng khi điện áp trên tụ giảm xuống bằng sụt điện áp bão
hoà của Tr1 cộng với sụt áp trên R3 gây nên bởi dòng mở bão hoà của Tr1: uR3= I.R3.
Sụt điện áp bão hoà trên một transitor mở rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua, mặt khác do R3
rất nhỏ và I cũng có giá trị rất nhỏ (cỡ 1 5 mA) nên cũng có thể bỏ qua sụt áp trên R3
(uR3=0). Như vậy thì tụ C sẽ phóng đến điện áp bằng không (tại t=1) và do Tr1 vẫn
mở nên điện áp trên tụ giữ nguyên giá trị bằng không cho đến thời điểm t=2.
Tại t=2 thì uđb=0 và lại bắt đầu chuyển sang dương, diode D lại được đặt
điện áp thuận nên lại mở và Tr1 lại khoá, do vậy tụ C lại được nạp tương tự như từ
t=0 và sự làm việc của sơ đồ lặp lại như chu kỳ vừa xét. Điện áp răng cưa đầu ra
cũng chính là điện áp trên tụ C và dạng điện áp ra urc được cho trên hình 2.53. Với sơ
đồ này thì biên độ điện áp răng cưa không phụ thuộc vào biên độ điện áp đồng bộ,
dạng điện áp ra đã gần với hình
răng cưa và độ dài sườn trước (giai
đoạn nạp tụ) cũng đạt đến 1800
điện. Trong sơ đồ này ta sử dụng
phần sườn trước.Trong sơ đồ trên
thì R3 là để hạn chế biên độ dòng
phóng của tụ qua Tr1 mở để bảo vệ
Tr1,còn biến trở WR dùng để chỉnh
định biên độ điện áp răng cưa cho
phù hợp yêu cầu.
Sơ đồ mạch phát sóng răng cưa dùng vi mạch khuếch đại thuật toán (KĐTT)
Giới thiệu sơ đồ (hình 2.54)
Sơ đồ cũng gồm có máy biến áp đồng bộ hoá BAĐ để tạo ra điện áp đồng bộ uđb.
Hình 2.55
Urcmax
u®b u
1 t
3 2
urc
Phần mạch tạo điện áp răng cưa cũng sử dụng diode,transitor,các điện trở,tụ
điện và ở đây để tạo ra dòng nạp tụ ổn định ta ứng dụng tính chất đặc biệt của các bộ
khuếch đại thuật toán vi điện tử KĐTT.
Nguyên lý làm việc
Trong sơ đồ này ta sử dụng khuếch đại thuật toán KĐTT ghép với tụ C thành một
mạch tích phân. Nguyên lý hoạt động của khâu này như sau: Giả thiết Tr khoá thì tụ C
được nạp bởi dòng đầu ra của KĐTT, dòng nạp tụ được xác định ic = -i1 + iv-. Nếu
KĐTT là lý tưởng thì điện trở vào của nó bằng vô cùng, dẫn đến dòng vào iv- và iv+
bằng không, do vậy: ic=-i1, mặt khác i1=-Ucc/ (WR+R)=I=const. Điều này có nghĩa
rằng khi Tr khoá thì tụ C được nạp bởi dòng không đổi có giá trị I.
Vậy ta có: Từ t=0 thì uđb=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương,dẫn đến D mở
nên mạch phát gốc Tr bị đặt điện áp
ngược, Tr khoá, tụ C được nạp điện
bởi dòng không đổi. Điện áp trên tụ
tăng dần theo qui luật tuyến tính.
Đến t= và bắt đầu chuyển sang
âm, D khoá, Tr mở nên tụ C phóng
điện nhanh qua Tr đến điện áp bằng
không và giữ nguyên giá trị bằng
không cho đến t=2. Tại t=2,
điện áp đồng bộ bằng không và bắt đầu chuyển sang dương, D lại mở, Tr lại khoá, tụ C
lại được nạp điện như từ t=0.
Với giả thiết KĐTT là lý tưởng thì hệ số khuếch là vô cùng lớn, vậy nếu KĐTT
đang ở chế độ khuếch đại tuyến tính thì điện giữa hai đầu vào được xem là bằng không
(uv=0). Từ sơ đồ ta có: urc=uc+uv=uc. Tức là điện áp răng cưa đầu ra của sơ đồ bằng
điện áp trên tụ C. Đồ thị điện áp răng cưa được biểu diễn trên hình 2.55.
Do điện áp răng cưa là điện áp ra của KĐTT nên có nội trở rất nhỏ, vì vậy dạng
điện áp ra hầu như không phụ thuộc vào tải mắc ở đầu ra mạch phát sóng răng cưa.
Với sơ đồ này dung lượng tụ C chỉ
cần rất nhỏ (thường chọn khoảng
220nF), vì vậy chọn tụ dễ dàng,
mặt khác tụ phóng rất nhanh nên rất
an toàn cho transitor Tr và điện áp
ra rất gần với dạng răng cưa lý
tưởng.
II.4.2.3 Khâu so sánh
Để tạo ra một hệ thống các xung
xuất hiện một cách chu kỳ với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa (cũng là chu kỳ
nguồn xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu) và điều khiển được thời điểm xuất hiện
của mỗi xung ta sử dụng các mạch so sánh. Có thể thực hiện khâu so sánh theo nhiều
mạch khác nhau nhưng phổ biến nhất hiện nay là các sơ đồ so sánh dùng transitor và
o
a
ic1
urc
*
M¹ch ®ång bé
D
ul
R1 +Ucc
-Ucc
iv- i1
iv+
Tr
-
+
K§TT
R2
1
R3
1
uc
*
u®b
BA§
C
WR
uv
Hình 2.54
urc
Hình 2.57
u u®k
0
2 1
3 2
t
ura
Ucc
0 2 2' 1 1'
3 2
t
dùng bộ khuếch đại thuật toán bằng vi điện tử. Trong các sơ đồ mạch so sánh thì ta
thường có hai tín hiệu vào là điện áp răng cưa lấy từ đầu ra khâu ĐBH-FSRC (urc ) và
điện áp điều khiển một chiều (uđk ). Hai điện áp này được mắc sao cho tác dụng của
chúng đối với đầu vào khâu so sánh là ngược chiều nhau. Có hai cách nối các điện áp
này trên đầu vào mạch so sánh:
Nối nối tiếp urc và uđk: Tổng hợp nối tiếp.
Nối song song qua các điện trở tổng hợp: Tổng hợp song song.
a/- Các sơ đồ mạch so sánh thường sử dụng
Các sơ đồ khâu so sánh thường sử dụng hiện nay được cho trên hình 2-56. Hình 2.56a
là sơ đồ dùng transitor tổng hợp nối tiếp, hình2.56b là sơ đồ dùng transitor tổng hợp
song song,
hình2.56c là
sơ đồ dùng IC
khuếch đại
thuật toán (A)
tổng hợp nối
tiếp, hình2.56d
là sơ đồ dùng
IC khuếch đại
thuật toán (A)
tổng hợp song
song. Trong sơ
đồ hình 2.56c
và d có thêm
mạch gồm
điện trở R và
diode D là để
cho điện áp ra giống như các sơ đồ hình 2.56a và b, trong nhiều trường hợp thường
không cần. Nguyên lý làm việc của cả 4 sơ đồ trên tương tự nhau, vậy ta chỉ cần xét
nguyên lý làm việc của một sơ đồ.
Nguyên lý làm việc sơ đồ (hình 2.56a)
Giả sử điện áp răng cưa và điện áp điều khiển có dạng như hình 2.575a.
Mặt khác từ sơ đồ hình2-57a ta có: nếu uđk >0 thì nó sẽ có xu hướng đặt điện áp
thuận lên mạch gốc-phát Tr, tức là làm mở Tr, còn điện áp điều khiển thì ngược lại,
nếu urc>0 thì nó có xu hướng đặt điện áp ngược lên tiếp giáp gốc-phát Tr và làm khoá
Tr. Điện áp đặt lên tiếp giáp gốc-phát của transitor Tr là uBE=uđk-urc, và trong trường
hợp này thì urc, uđk đều dương nên ta có:
Trong giai đoạn
t=0t<1 thì |urc|<|uđk|
do vậy uBE>0 nên Tr mở,
giả thiết rằng Tr mở bão
ura ura
urc
u®k
c
+Ucc
-Ucc
R -
D + A R2 R1
urc u®k
d
+Ucc
-Ucc
R -
D + A
+Ucc Rk
urc Tr ura
u®k
a
+Ucc Rk
R2 R1 Tr
ura
urc u®k
b
uBE uBE
Hình 2.56
hoà và bỏ qua sụt áp trên Tr khi mở bão hoà ta có ura=0.
Từ t=1 t=1' thì |urc||uđk|, dẫn đến 0uEB, tức là mạch gốc-phát Tr bị đặt
điện áp ngược, Tr khoá lại, bỏ qua sụt áp trên điện trở mạch cực góp Rk bởi
dòng rò của Tr và dòng qua tải của khâu so sánh (trong sơ đồ không biểu diễn)
thì điện ra bằng điện áp trên Tr và bằng điện áp nguồn: ura=Ucc.
Trong giai đoạn t>1' t<2 thì |urc| < |uđk| do vậy uBE>0 nên lại Tr mở và ta
cũng giả thiết rằng Tr mở bão hoà, bỏ qua sụt áp trên Tr khi mở bão hoà: ura=0.
Từ t=2 thì |urc||uđk|, dẫn đến 0uEB, tức là mạch gốc-phát Tr lại bị đặt điện áp
ngược, Tr lại khoá và ura=Ucc .
Sự làm việc của sơ đồ trong các giai đoạn tiếp theo diễn ra tương tự và lặp đi
lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa. Nếu ta giả thiết rằng thời điểm mở tự
nhiên của thyristor được điều khiển bởi mạch phát xung dùng khâu so sánh này là các
thời điểm t=0; t=2; t=4; ... thì góc điều khiển được xác định như trên đồ thị
hình 2.57. Từ đó ta nhận thấy: để thay đổi giá trị góc điều khiển khi dạng điện áp
răng cưa không đổi ta thay đổi giá trị điện áp điều khiển uđk, với sơ đồ này thì khi uđk
tăng lên giá trị sẽ tăng lên.
II.4.2.4 Khâu tạo xung
Để đảm bảo các yêu cầu về độ chính xác của thời điểm xuất hiện xung, sự đối xứng
của xung ở các kênh khác nhau, v.v... mà người ta thường thiết kế cho khâu so sánh
làm việc với công suất xung ra nhỏ, do đó xung ra của khâu so sánh thường chưa đủ
các thông số yêu cầu của điện cực điều khiển thyristor. Để có xung có đủ các thông số
yêu cầu cần thiết ta phải thực hiện việc khuếch đại xung, thay đổi lại độ dài xung,
trong một số trường hợp cần phải phân chia các xung, và cuối cùng là truyền xung từ
đầu ra của mạch phát xung đến điện cực điều khiển và Cathode của thyristor. Vì vậy
mà ta phải sử dụng một số mạch điện để thực hiện các công việc đã nêu, các mạch
điện này thường gồm: Mạch khuếch đại xung; Mạch sửa xung; Mạch phân chia xung;
Mạch truyền xung đến thyristor (thường được gọi là thiết bị đầu ra), toàn bộ các mạch
này được ghép chung vào một khâu là khâu tạo xung. Tuỳ trường hợp cụ thể mà có thể
có đầy đủ các phần mạch riêng biệt để thực hiện đầy đủ tất cả các nhiệm vụ đã nêu, có
trường hợp chỉ có một hoặc một số mạch nhất định nào đó.
a/- Mạch truyền xung ra đến thyristor (thiết bị đầu ra)
Thông thường người ta sử dụng hai cách truyền xung từ đầu ra hệ thống điều khiển
đến mạch G-K của thyristor, đó là truyền xung trực tiếp và truyền xung qua máy biến
áp xung.
Truyền xung trực tiếp: Đây là biện pháp truyền xung đơn giản nhất: dùng dây
dẫn điện nối từ đầu ra mạch phát xung (thường là trên điện trở cực góp của
transitor khuếch đại công suất xung) đến các điện cực G và K của thyristor.
Biện pháp này rất ít được sử dụng vì nó có một số nhược điểm như sau:
Có sự liên hệ trực tiếp về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển
bộ chỉnh lưu.
Hình 2.58
+Ucc * *
W1 W2
BAX G
K
D3
u®kT D1 D2
Tr1
uv Tr2
Khó thực hiện truyền xung đồng thời đến một số thyristor mắc nối tiếp
hoặc song song.
Khó phối hợp tốt giữa nguồn một chiều cung cấp cho mạch khuếch đại
xung với biên độ xung cần thiết trên thyristor.
Truyền xung qua máy biến áp xung: Đây là biện pháp truyền xung được sử
dụng nhiều nhất hiện nay vì nó khắc phục tốt các nhược điểm của truyền xung
trực tiếp. Nội dung của cách truyền xung này là sử dụng một máy biến áp xung
ghép giữa đầu ra tầng khuếch đại công suất xung với điện cực điều khiển G và
Cathode K của thyristor. Biện pháp truyền xung này có các ưu điểm:
Đảm bảo sự cách ly tốt về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển
bộ chỉnh lưu.
Dễ dàng thực hiện việc truyền đồng thời các xung đến các thyristor mắc
nối tiếp hoặc song song bằng cách dùng máy biến áp xung có nhiều cuộn
thứ cấp.
Dễ dàng phối hợp giữa điện áp nguồn cung cấp cho tầng khuếch đại
công suất xung và biên độ xung cần thiết trên điện cực điều khiển của
thyristor nhờ việc chọn tỉ số máy biến áp xung phù hợp.
Máy biến áp xung về cơ bản có kết cấu như một máy biến áp bình thường công
suất nhỏ, chỉ khác nhau trong phần tính toán mạch từ và số vòng dây. Khi hoạt động
thì tương tự như máy biến áp làm việc với dòng không sin hoặc có thể xét như là các
cuộn dây có liên hệ hỗ cảm với nhau, nhưng phải chú ý rằng hệ số hỗ cảm là phi tuyến
và sẽ bằng không khi từ trường lõi thép máy biến áp xung đạt giá trị bão hoà. Để phân
biệt với các máy biến áp làm nhiệm vụ khác trong sơ đồ, ta ký hiệu máy biến áp xung
là BAX.
b/- Mạch khuyếch đại xung
Để khuếch đại công suất xung hiện nay phổ biến nhất là các sơ đồ khuếch đại xung
bằng transitor và thyristor.
Các sơ đồ khuếch đại xung dùng thyristor được sử dụng khi có yêu cầu công
suất xung điều khiển lớn và độ dài xung lớn, ví dụ như trong một số bộ chỉnh lưu dòng
cực lớn cung cấp cho hệ thống mạ điện hoặc điện phân.Trong kiểu sơ đồ này người ta
sử dụng các thyristor công suất nhỏ được điều khiển bởi xung ra của khâu so sánh
hoặc đã qua một tầng khuếch đại bằng transitor, mạch anode-Cathode của van nối với
cuộn sơ cấp BAX. Trong chương trình này ta không đi sâu nghiên cứu mạch phát xung
này.
Các sơ khuếch đại xung dùng
transitor được sử dụng phổ biến hơn. Trong
các sơ đồ khuếch đại này người ta thường
sử dụng sơ đồ cực phát chung và có từ 1
đến 2 tầng khuếch đại. Trong nhiều trường
hợp, để đơn giản cho kết cấu mạch mà vẫn
đảm bảo chất lượng người ta thường sử
H×nh 2.59a: §å thÞ ®iÖn ¸p khi tbhtxv H×nh 2.59b: §å thÞ ®iÖn ¸p khi
tbh<txv
uv
0 t2' t2 t1
' t1 t
u®kT
0 t2' t2 t1
'
t1
txv
txr tbh
t
t
t
uv
0 t2 t2' t1' t1
u®kT
0 t2' t2 t1
' t1
txv
txr= tbh
dụng 2 transitor ghép kiểu Darlingtơn (mắc nối tiếp hai transitor) và mắc thành một
tầng khuếch đại. Hình 2.58 là một sơ đồ khuếch đại xung mắc theo kiểu đã nêu và đầu
ra dùng máy biến áp xung BAX. Hai transitor Tr1 và Tr2 ghép nối tiếp như vậy tương
đương với một transitor có hệ số khuếch đại dòng điện theo sơ đồ phát chung () bằng
tích hệ số khuếch đại dòng của hai transitor thành phần: = 1.2, với 1, 2 là hệ số
khuếch đại dòng điện theo sơ đồ cực phát chung của Tr1 và Tr2.
Các điện áp uv và uđkT là điện áp vào tầng khuếch đại (là điện áp ra của mạch
sửa xung hoặc mạch phân chia xung hoặc có trường hợp là điện áp ra của khâu so
sánh) và điện áp điều khiển thyristor (G,K là cực điều khiển và Cathode của thyristor).
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ:
Nếu ta gọi
thời gian tồn tại của một xung điện áp vào là txv, thời gian tồn tại của một xung điện áp
ra là txr, thời gian tính từ lúc đóng một nguồn điện áp một chiều không đổi có giá trị
bằng Ucc cho đến lúc từ thông lõi thép máy biến áp xung đạt giá trị từ thông bão hoà
(với giả thiết là không hạn chế về thời gian đóng nguồn và phía cuộn thứ cấp BAX vẫn
mắc với điện cực điều khiển thyristor như trong sơ đồ hình 2.58) là tbh. Với sơ đồ
khuếch đại xung này có thể xẩy ra hai .trường hợp khác nhau:
Trường hợp thứ nhất: Khi tbhtxv
Từ t=0t<t1 thì chưa có xung vào nên 2 transitor chưa làm việc, không có dòng điện
nào chạy trong cuộn sơ cấp BAX nên không có xung điện áp trên cuộn thứ cấp, tức là
uđkT=0 (chưa có tín hiệu điều khiển thyristor). Tại t=t1 xuất hiện một xung điện áp vào
dương, dẫn đến Tr1 và Tr2 đều mở, giả thiết là mở bão hoà, trên cuộn dây sơ cấp BAX
đột ngột được đặt điện áp bằng Ucc, xuất hiện dòng điện qua cuộn sơ cấp W1 của máy
biến áp xung tăng dần (dòng qua W1 đi từ phía cực tính có dấu (*) sang phía không có
dấu (*)) dẫn đến trên cuộn thứ cấp xuất hiện một xung điện áp có cực tính dương ở
phía có dấu (*). Xung trên cuộn thứ cấp đặt thuận lên D3 và truyền qua D3 đến điện
cực điều khiển và Cathode của thyristor. Đến t=t1'=t1+txv thì mất xung vào, hai
transitor Tr1 và Tr2 cùng khoá lại dòng qua cuộn sơ cấp sẽ giảm về bằng không, do sự
giảm của dòng cuộn sơ cấp BAX nên từ thông trong lõi thép BAX biến thiên theo
hướng ngược lại lúc Tr1 và Tr2 mở dẫn đến trong các cuộn dây BAX xuất hiện xung
điện áp với cực tính ngược lại. Xung trên cuộn thứ cấp làm khoá D3 nên không còn
xung trên điện cực điều khiển của thyristor, tức là uđkT=0, ta giả thiết là không có D2
nên cuộn thứ cấp coi như hở mạch. Lúc này nếu trên cuộn sơ cấp ta không mắc diode
D1 thì dòng qua cuộn sơ cấp sẽ giảm đột ngột gây nên sự đột biến từ thông BAX và
làm cho biên độ xung điện áp trên các cuộn dây rất lớn. Về lý thuyết thì di/dt nên
d/dt và điện áp cảm ứng trên các cuộn dây cũng tiến đến vô cùng lớn. Nhưng
trong thực tế do điện dung ký sinh giữa các vòng dây mà di/dt không nên s.đ.đ.
cảm ứng trên các cuộn dây cũng có giá trị hữu hạn, tuy vậy nó cũng đạt giá trị rất lớn
(cỡ từ 5 đến 20 lần giá trị Ucc), xung điện áp lúc này trên cuộn sơ cấp cộng tác dụng
với điện áp Ucc đặt toàn bộ lên các transitor dễ làm hỏng các transitor và chọc thủng
cách điện các vòng dây của BAX. Để đảm bảo an toàn cho các transitor và BAX người
ta mắc song song với cuộn sơ cấp BAX một diode (D1) như trên sơ đồ.
Tác dụng của D1 như sau: Khi mất xung vào, các transitor khoá lại và gây nên
sự giảm của dòng cuộn W1 làm xuất hiện các xung điện áp trên các cuộn dây có cực
tính ngược với khi mở các transitor (được gọi là các xung âm) thì xung trên cuộn sơ
cấp đặt thuận lên D1 làm D1 mở. Do vậy mà dòng qua cuộn sơ cấp BAX không giảm
đột ngột mà vẫn được duy trì qua D1 nên xung điện áp xuất hiện trên các cuộn dây
cũng có giá trị nhỏ. Trong trường hợp này thì điện áp tổng trên W1 bằng sụt điện áp
trên một diode mở và s.đ.đ. cảm ứng trên W1 bằng sụt điện áp trên D1 cộng với sụt áp
trên điện trở cuộn sơ cấp cũng có giá trị rất nhỏ. Vì vậy mà xung trên cuộn thứ cấp
cũng có giá trị không đáng kể. Điện áp trên các transitor tại thời điểm khoá bằng Ucc
cộng với điện áp trên cuộn sơ cấp bằng sụt áp trên một diode mở nên nó có giá trị
Ucc nên rất an toàn cho các transitor.
Tác dụng của D2 cũng tương tự như của D1: Giả sử không có D1 mà trong sơ đồ
lại có D2. Tại thời điểm mất xung vào,các transitor khoá lại, xuất hiện các xung điện
áp âm trên các cuộn dây BAX. Như vậy cuộn sơ cấp hở mạch nên dòng qua cuộn sơ
cấp giảm đột ngột về bằng không, tuy vậy do xung trên cuộn thứ cấp lại đặt thuận lên
D2 nên sẽ có dòng khép kín qua D2 và cuộn thứ cấp của BAX, ta thấy rằng với chiều
dòng qua cuộn W2 mà thuận chiều qua D2 thì từ trường do cuộn W2 gây ra lúc này
cùng chiều với từ trường do W1 tạo ra khi các transitor đang mở. Kết quả là từ trường
lõi thép BAX giảm chậm nên xung điện áp cảm ứng trên các cuộn dây cũng có giá trị
nhỏ, đảm bảo an toàn cho các transitor và máy biến áp xung.
Trường hợp thứ hai: Khi tbh<txv
Từ t=0t<t1 thì chưa có xung vào nên 2 transitor chưa làm việc, không có dòng điện
nào chạy trong cuộn sơ cấp BAX nên không có xung điện áp trên cuộn thứ cấp, tức là
uđkT=0 (chưa có tín hiệu điều khiển thyristor). Tại t=t1 xuất hiện một xung điện áp vào
dương, dẫn đến Tr1 và Tr2 đều mở, giả thiết là mở bão hoà, trên cuộn dây sơ cấp BAX
đột ngột được đặt điện áp bằng Ucc, xuất hiện dòng điện qua cuộn sơ cấp W1 của máy
biến áp xung tăng dần (dòng qua W1 đi từ phía cực tính có dấu (*) sang phía không có
dấu (*)) dẫn đến trên cuộn thứ cấp xuất hiện một xung điện áp có cực tính dương ở
phía có dấu (*). Xung trên cuộn thứ cấp đặt thuận lên D3 và truyền qua D3 đến điện
cực điều khiển và Cathode của thyristor. Đến t= t1+tbh thì mạch từ BAX bị bão hoà,
dẫn đến từ thông lõi thép BAX không biến thiên nữa nên xung điện áp cảm ứng trên
các cuộn dây mất, xung ra cũng mất (uđkT=0). Đến t=t1'=t1+txv thì mất xung vào, hai
transitor Tr1 và Tr2 cùng khoá lại dòng qua cuộn sơ cấp sẽ giảm về bằng không, do sự
Hình 2.60
Rk1 +Ucc
uc R Rk2
- Tr1 C1 +
Tr2 C
Rb uc1
ube2 ube1 ura uv -
Eb R0
+
giảm của dòng cuộn sơ cấp BAX nên từ thông trong lõi thép BAX biến thiên theo
hướng ngược lại lúc Tr1 và Tr2 mở dẫn đến trong các cuộn dây BAX xuất hiện xung
điện áp với cực tính ngược lại. Các xung điện áp âm cũng được khử nhờ D1 hoặc D2
tương tự như ở trường hợp trước. Như vậy trong trường hợp này thì độ dài xung ra
bằng thời gian bão hoà của BAX: txr = tbh .
**Chú ý: Trong một số trường hợp người ta cần lấy xung điều khiển thyristor xuất
hiện tại thời điểm khoá các transitor (tức là tại các thời điểm mất xung vào dương hoặc
xuất hiện xung vào âm khi sử dụng transitor khuếch đại loại N-P-N như trên hình
2.58), lúc đó ta phải đảo lại cực tính của cuộn sơ hoặc cuộn thứ cấp BAX và không
được dùng D1 để khử xung âm. Lúc đó nếu cần khử xung điện áp âm (xung âm là các
xung xuất hiện trên các cuộn dây BAX mà lúc đó xung trên cuộn thứ cấp đặt ngược
lên D3 và điện cực điều khiển của thyristor) thì ta dùng diode D2 (chú ý rằng trong
trường hợp đó nếu không có D2 thì biên độ tối đa xung trên cuộn sơ cấp bằng Ucc, còn
trên cuộn thứ cấp bằng Ucc/n, với n là tỉ số biến áp của BAX (n=W1/W2)).
c/- Mạch sửa xung
Từ nguyên lý hoạt động của khâu so sánh và mạch khuếch đại xung của khâu tạo xung
ta thấy rằng khi thay đổi giá trị uđk để thay đổi giá trị góc điều khiển thì độ dài xung
đầu ra khâu so sánh sẽ thay đổi. Như vậy sẽ xuất hiện tình trạng là có một số trường
hợp độ dài xung quá ngắn không đủ để mở thyristor và ngược lại có một số trường hợp
độ dài xung lại quá lớn làm cho các transitor khuếch đại xung làm việc ở chế độ dòng
cực góp lớn khi điện áp cực góp cao (khi máy biến áp xung đã bão hoà), gây nên tổn
thất lớn trong mạch phát xung và làm tăng kích thước mạch phát xung. Để khắc phục
chúng ta đưa vào hệ thống điều khiển một mạch điện có tác dụng thay đổi lại độ dài
xung cho phù hợp với yêu cầu và được gọi là mạch sửa xung. Các mạch sửa xung hoạt
động theo nguyên tắc: Khi có các xung vào với độ dài khác nhau mạch vẫn cho các
xung ra có độ dài giống nhau theo yêu cầu và giữ nguyên thời điểm bắt đầu xuất hiện
của mỗi xung. Phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể mà mạch sửa xung có thể có kết
cấu tương đối phức tạp hoặc rất đơn giản, ví dụ có trường hợp mạch sửa xung chỉ là
một mạch R-C ghép giữa khâu so sánh và mạch khuếch đại xung. Sau đây ta sẽ xét
một sơ đồ sửa xung dùng các transitor kết hợp với mạch R-C, sơ đồ này có thể thực
hiện sửa xung theo hai hướng (tăng độ dài khi độ dài xung vào nhỏ và ngược lại giảm
độ dài khi độ dài xung vào lớn).
Sơ đồ nguyên lý
Trong sơ đồ này có: Tụ C và điện trở R là
hai phần tử quyết định độ dài xung ra. Tụ
C1 là tụ ghép tầng, dùng để truyền xung đến
đầu vào mạch sửa xung, C1 được chọn với
dung lượng đủ nhỏ, chỉ cần đủ để kích mở
Tr1 tại thời điểm có xung vào. Eb, Rb là
nguồn thiên áp ngược và điện trở cực gốc
dùng để khoá Tr1 một cách chắc chắn. R0 là
điện trở của mạch phản hồi dương, được dùng để duy trì trạng thái mở của Tr1 khi điện
áp ra bằng Ucc. Ngoài ra trong sơ đồ còn có một số các phần tử khác như Tr1, Tr2, Rk1,
Rk2. Toàn bộ sơ đồ được cung cấp bởi nguồn điện áp một chiều ổn định Ucc.
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ
Trong sơ đồ này việc tính chọn các giá trị của Eb, Rb, R0, Ucc sao cho:
Tr1 sẽ khoá khi không có xung vào hoặc có xung vào nhưng tụ C1 đã nạp đầy
đến giá trị uc1uv mà khi đó ura0.
Tr1 sẽ mở bão hoà khi không có xung vào hoặc có xung vào nhưng tụ C1 đã nạp
đầy đến giá trị uc1uv nhưng nếu uraUcc .
Tr1 sẽ mở bão hoà khi có xung vào mà điện áp trên tụ C1 đang 0 bất kể lúc đó
ura có giá trị bằng bao nhiêu.
Xuất phát từ đó ta có nguyên lý hoạt động của sơ đồ như sau:
Từ các chú ý đã nêu, với giả thiết điện áp vào như đồ thị hình 1-56a, ta có:
Từ t=0 t<t1 chưa có xung
điện áp vào, nhờ điện trở định thiên R
mà Tr2 mở bão hoà nên sụt áp trên Tr2
rất nhỏ và có thể bỏ qua (gần đúng ta
xem là bằng không), do vậy điện áp ra
bằng điện áp trên Tr2 và bằng không
(ura=0). Do ura=0, chưa có tín hiệu vào
nên trên mạch gốc-phát của Tr1 có
điện áp ngược gây nên bởi nguồn
thiên áp ngược Eb và Tr1 khoá, tụ C sẽ
được nạp điện bởi nguồn cung cấp
một chiều Ucc qua điện trở Rk1 và
mạch gốc-phát của Tr2 đến điện áp
gần bằng nguồn cung cấp. Trong
trường hợp này ta giả thiết sụt điện áp
mạch gốc-phát của các transitor khi
mở là ube và có giá trị gần như không đổi. Vậy trong giai đoạn này ube2=ube>0, còn
ube1<0. Tại t=t1 xuất hiện một xung điện áp vào dương, tụ C1 được nạp bởi xung vào và
một trong 2 thành phần dòng nạp tụ là xung dòng qua cực gốc Tr1 và Tr1 chuyển sang
mở bão hoà. Transitor Tr1 chuyển sang mở bão hoà thì sụt trên nó rất nhỏ, tụ C sẽ
phóng điện qua mạch góp-phát của Tr1-qua nguồn cung cấp một chiều Ucc - qua điện
trở R. Do sụt áp trên Tr1 rất nhỏ cho nên gần như toàn bộ điện áp của tụ C được đặt lên
mạch gốc-phát của Tr2. Với cực tính điện trên tụ C lúc này như biểu diễn trên sơ đồ và
đồ thị mà ube2<0, Tr2 khoá. Do Tr2 khoá, bỏ qua sụt áp trên Rk2 bởi dòng mạch tải của
mạch sửa xung thường có giá trị rất nhỏ nên uraUcc, xuất hiện xung điện áp trên đầu
ra. Mặc dù tụ C1 có giá trị rất nhỏ nên chỉ một thời gian rất ngắn sau thời điểm xuất
hiện xung vào thì tụ C1 đã được nạp đầy và dòng qua tụ C1 sẽ bằng không và tụ C1
không còn tác dụng đến đầu vào Tr1 nữa nhưng Tr1 vẫn được duy trì mở bão hoà nhờ
t
t
t
t
t
t
uv
0 t1'
txv
t1 t2' t2 t3' t3
uc1
0 t1 t2 t3
ube1
ube2
0
t1''
t1
t2''
t2
t3''
t3
Ucc uc
0 t1 t3 t2
Ucc
ura
0 t1'
txr
t2' t2 t3' t3
0 t1 t2 t3
ube
ube
a
b
c
d
e
g
Hình 2.61
điện áp đầu ra lúc này là uraUcc được đưa trở lại cực gốc Tr1 qua R0. Khi điện áp trên
tụ C giảm về bằng không thì trên cực gốc Tr2 lại xuất hiện điện áp thuận bằng ube do
nguồn cung cấp truyền đến qua R nên Tr2 lại mở. Transitor Tr2 mở thì ura giảm về gần
bằng không, mặt khác lúc này tín hiệu vào còn hay không cũng không còn tác dụng
đến cực gốc Tr1 nữa (như đã nêu ở trên) do vậy transitor Tr1 sẽ khoá lại. Do Tr1 khoá
lại nên tụ C lại được nạp lại từ nguồn qua Rk1, qua mạch gốc phát Tr2 và sẽ nạp đến giá
trị bằng Ucc để chuẩn bị cho lần làm việc tiếp theo. Tại thời điểm t=t1+txv thì mất xung
vào, tụ C1 sẽ phóng điện qua mạch tín hiệu vào, Eb và điện trở Rb đến điện áp gần bằng
không (coi là bằng không). Như vậy thời gian tồn tại của một xung điện áp ra (txr)
bằng khoảng thời gian phóng của tụ C qua Tr1 mở bão hoà, qua nguồn Ucc, qua điện
trở R từ giá trị gần bằng Ucc đến điện áp bằng không.
Ta có biểu thức điện áp trên tụ C ở giai đoạn phóng điện là:
uc= -Ucc+2.Ucc.e- (t-t1)/
, với =R.C.
Từ biểu thức này khi thay t=t1+txr và cho uc=0 ta rút ra: txr=C.R.ln2 .
Như vậy ta thấy rằng độ dài một xung ra chỉ phụ thuộc vào giá trị của R và C
mà hoàn toàn không phụ thuộc vào độ dài xung vào.
Sơ đồ này có ưu điểm là có thể giữ nguyên độ dài xung ra khi độ dài xung vào
có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn txr. Tuy vậy việc phải sử dụng thêm nguồn thiên áp ngược
Eb làm cho kết cấu mạch điện phức tạp lên.
Trong đa số các sơ đồ khi xung vào thường có độ dài lớn hơn độ dài xung ra
người ta sử dụng các mạch đơn giản hơn.
d/- Mạch phân chia xung
Trong một số hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu để đảm bảo sự đối xứng của tín hiệu
điều khiển trên các van của sơ đồ chỉnh lưu người ta sử dụng một mạch ĐBH-FSRC
và một khâu so sánh chung, xung ra của khâu so sánh có tần số lớn hơn n lần tần số
nguồn xoay chiều (n là số van chỉnh lưu cần được cấp tín hiệu điều khiển bởi hệ thống
phát xung này). Để làm mạch phân chia xung người ta có thể sử dụng nhiều linh kiện
bán dẫn và vi điện tử khác nhau, ví dụ có thể dùng các sơ đồ trigơ, các mạch đa hài có
đợi, các mạch lôgic dạng mạch và, mạch hoặc, v.v..... Sau đây ta sẽ xét một mạch phân
chia xung đơn giản dùng cho mạch phát xung điều khiển cho các van trong sơ đồ
chỉnh lưu cầu 1 pha hoặc sơ đồ hình tia 2 pha. Sơ đồ mạch điện hình 2.62 gồm có cả
mạch đồng bộ hoá và mạch sửa xung vì chúng sử dụng một linh kiện nhiều phần tử
chung vỏ là IC lôgic 4 mạch và-không (loại K511A1 hay K511A5 hoặc IC loại
4011).
Giới thiệu sơ đồ:
Trong sơ đồ có: BAĐ là máy biến áp đồng bộ dùng để tạo ra điện áp đồng bộ uđb. Các
transitor Tr1, Tr2, Tr3, Tr4,Tr5; các điện trở R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8,WR; IC2; các
mạch &2, &3 của IC1, tụ C là các phần tử của mạch tạo điện áp răng cưa. Các mạch &1,
&4 của IC1, các transitor Tr6, Tr7, các điện trở R9, R10, R11, R12 là các phần tử cơ bản
của mạch phân chia xung (thực tế thì các điện áp uk1 và uk2 cũng đồng thời là tín hiệu
điều khiển mạch phân chia xung nên cũng có thể nói: các phần tử Tr1, Tr2, Tr3, Tr4, R1,
Hình 2.63
u®b
t
2
ube
ube
uk3
uk4
u®b1
t 2
t
2
t
2
3' 3 2' 2 1' 1
3 3' 1' 1
2 2'
uxv
ura1
ura2
t
2
t
2
t
2
urc
t
2
R2, R3, R4, R5 cũng nằm trong mạch phân chia xung). IC1 được cung cấp bởi nguồn
+Ucc, còn IC2 được cung cấp bởi nguồn một chiều đối xứng Ucc.
Nguyên lý hoạt
động của mạch
phân chia xung:
Từ đồ thị trên hình 2.63 ta thấy rằng tần số xung ở đầu ra khâu so sánh truyền đến đầu
vào mạch phân chia xung (uxv) gấp đôi tần số điện áp nguồn cung cấp cho bộ biến đổi.
Mạch chia xung có nhiệm vụ phân chia xung vào ra làm 2 đường riêng biệt với tần số
xung ra bằng tần số nguồn để điều khiển 2 thyristor của sơ đồ hình tia 2 pha (hoặc điều
khiển 2 cặp thyristor trong sơ đồ chỉnh
lưu cầu một pha) là T1 và T2.
Giả thiết thời điểm t=0 là thời
điểm mở tự nhiên đối với T1, trong
khoảng từ t=0t<1 thì khâu so sánh
chưa cho xung ra, tức là uxv=0. Do uxv=0
nên trên một trong hai đầu vào của &1 và
&4 đều có mức lôgic 0 nên trên đầu ra
của chúng có mức lôgic 1, do vậy cả 2
transitor Tr6 và Tr7 đều mở bão hoà nên
ura1 và ura2 đều gần bằng không, vậy cả
T1 và T2 đều chưa có tín hiệu điều khiển.
Tại t=1 xuất hiện một xung vào mạch
chia xung (có xung ra của khâu so sánh),
trên các chân của &1 và &4 nối vào điện
áp uxv có mức lôgic 1. Chân còn lại của
urc
BA§
*
ul *
u®b
R4 R2
IC1
R5
uk3
uk4
u®b1 R3
+Ucc
Xung tõ ®Çu ra
kh©u so s¸nh
hoÆc m¹ch söa
xung ®Õn
R1 Tr3
Tr6
Tr7
Tr1
Tr4
Tr2
-Ucc
uxv
-
R6
Tr5
+
IC2 R8
C R7
1
WR
R11
R9
R10
R12
R13
&1
&2
&3
&4
Hình 2.62
&1 được đặt điện áp uk3 lúc này cũng có mức lôgic 1 nên trên đầu ra &1 sẽ có mức
lôgic 0 và Tr6 khoá lại, dẫn đến xuất hiện xung trên đầu ra 1 (ura1 Ucc). Xung ra ura1 sẽ
được truyền qua các mạch phía sau của khâu tạo xung, ví dụ: mạch khuếch đại xung,
và cuối cùng được đưa đến điện cực điều khiển của T1 để khống chế mở T1. Chân còn
lại của &4 được đặt điện áp uk4 lúc này cũng có mức lôgic 0 nên trên đầu ra &4 vẫn có
mức lôgic 1 và Tr7 vẫn mở bão hoà, dẫn đến trên đầu ra 2 vẫn chưa xuất hiện xung ra
(ura2 0). Đến t=1' thì mất xung vào (uxv=0) thì trên đầu ra &1 lại có mức lôgic 1 và
Tr6 lại mở bão hoà nên ura10, sơ đồ quay lại trạng thái giống như lúc chưa xuất hiện
xung vào. Từ t=1' t<2 không có xung vào, điện áp trên hai đầu ra đều bằng
không. Tại t=2 xuất hiện xung vào thứ hai, lúc đó điện áp uk3=0, còn uk4>0. Do vậy
trên đầu ra &1 vẫn giữ mức lôgic 1, còn trên đầu ra &4 có mức lôgic 0 vì cả hai đầu
vào của nó đều có mức lôgic 1 dẫn đến Tr7 khoá lại, xuất hiện điện áp ra trên đầu ra 2
(ura2 Ucc). Kết quả là trên điện cực điều khiển T2 có tín hiệu điều khiển và T2 sẽ mở vì
đang có điện áp thuận. Sự làm việc của sơ đồ ở các giai đoạn tiếp theo diễn ra tương
tự. Đồ thị điện áp minh hoạ sự làm việc của sơ đồ biểu diễn trên hình 2.63.
II.4.2.5 Một sơ đồ mạch phát xung điều khiển theo pha đứng
Ta sẽ xét một sơ đồ hệ thống phát xung điều khiển cho bộ chỉnh lưu hình tia 2 pha (có
thể dùng điều khiển sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha bằng cách sử dụng máy biến áp xung
có 2 cuộn dây thứ cấp) như sơ đồ hình 2.64.
Trong sơ đồ này có:
Khâu ĐBH-FSRC gồm các phần tử:
Biến áp đồng bộ hoá BAĐ dùng để tạo tín hiệu đồng bộ chung uđb.
Mạch tạo điện áp răng cưa gồm các transitor từ Tr1 đến Tr5; các phần tử &2,
&3 của vi mạch lôgic IC1; vi mạch khuếch đại thuật toán IC2; các điện trở từ
R1 đến R8 và WR (WR được dùng để hiệu chỉnh biên độ điện áp răng cưa
đầu ra IC2); tụđiện C1.
R4 IC1 R5
uk3
uk4
u®b1
+Ucc
&1
&2
&3
&4
Tr3 Tr7
Tr9
D6 D8
D9
D1,2
Tr8
Tr4
-Ucc
u®b
BA§
*
ul *
R2
R3
R1 Tr1
Tr2
u®k mang gi¸ trÞ ©m
u®k
ux1
urc
uC2
R6
Tr5
D3,4
D5 Kh©u so
s¸nh
R7 R10
R13 R12 R11
R9
C1
C2 R8
WR
-
+
IC3
R16 R14
R15
R17
Tr10
-
+
IC2
Tr6
BAX1
*
u®kT1 Wl1
*
BAX2
*
u®kT2
D7
*
Hình 2.64
Hình 2.65
*
id
ud
Rd D2 D1 4
Ld u4-5
T1 T2
Ed 5
2
1
1
0 3 2
K1 K2 G2 G1
RG1
iC
iG
iR
uC C RG2 u1-0
DG2 DG1
R
uR
UR
U4-5
UC U0-1
U2-0 U3-0
0
u3-0
3
BA
w21
w22 w1
u1
w23
* *
*
a
. . .
. . .
b
Khâu so sánh dùng vi mạch khuếch đại thuật toán IC3 và một số phần tử diode,
điện trở liên quan, tín hiệu ra của khâu này được truyền qua mạch sửa xung rồi
mới được đưa đến mạch chia xung của khâu tạo xung.
Khâu tạo xung bao gồm:
Mạch sửa xung gồm tụ C2; transitor Tr6 và các điện trở R11, R12, R13.
Mạch chia xung thực bằng hai phần tử NOT-AND là &1 và &4 của IC1, tín
hiệu khống chế mạch này gồm có xung ra của mạch sửa xung và các tín hiệu
đồng bộ đã được biến đổi uk1, uk2 tương tự mạch chia xung đã xét ở hình 1-
60.
Mạch khuếch đại công suất xung gồm hai kênh giống nhau và mỗi kênh
gồm 2 tầng khuếch đại bằng các transitor (gồm từ Tr7 đến Tr10).
Mạch truyền xung ra sử dụng máy biến áp xung BAX1 và BAX2 để truyền
các tín hiệu điều khiển uđkT1, uđkT2 đến các thyristor T1 và T2 của sơ đồ chỉnh
lưu hình tia 2 pha.
II.4.3 Mạch tạo xung theo pha ngang
II.4.3.1 Nội dung phương pháp
Để tạo xung điều khiển cho các van chỉnh lưu trước tiên người ta tạo ra các tín hiệu
điều khiển hình sin có tần số bằng tần số xung điều khiển các thyristor, tức là bằng tần
số nguồn cung cấp xoay chiều và có biên độ không đổi. Các xung điều khiển các van
sẽ được tạo ra tại các thời điểm bằng không và bắt đầu chuyển sang dương của các
điện áp điều khiển hình sin vừa nêu. Việc thay đổi giá trị góc điều khiển được thực
hiện bằng cách thay đổi góc pha của các điện áp điều khiển hình sin.
Như vậy đối với hệ thống điều khiển này thì việc trước tiên là phải tạo ra được
hệ thống điện áp điều khiển dạng hình sin với biên độ không đổi và góc pha điều khiển
được. Để thực hiện nhiệm vụ này hiện nay người ta sử dụng các sơ đồ cầu dịch pha
dùng điện trở, tụ điện (cầu R-C) hoặc điện trở, điện cảm (cầu R-L). Khi đã có các điện
áp điều khiển dạng hình sin như đã nêu thì việc tạo ra xung điều khiển cho các
thyristor tại những thời điểm bằng không và bắt đầu chuyển sang dương của các điện
áp hình sin có thể thực hiện bằng nhiều sơ đồ khác nhau, đơn giản nhất là dùng các
diode, ngoài ra ta có thể sử dụng các
mạch biến đổi tương tự-số bằng vi mạch.
Sau khi đã có các xung xuất hiện đúng
thời điểm cần thiết thì tuỳ thuộc vào
dạng và công suất xung đã có và xung
yêu cầu cần có mà ta có thể sử dụng các
mạch sửa xung, khuếch đại xung,...,
tương tự như các mạch đã nêu trong hệ
thống điều khiển theo pha đứng.
Xét một sơ đồ cụ thể
Để làm rõ nguyên tắc phát xung này ta xét một sơ đồ phát xung điều khiển cho 2
thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha dùng 2 diode và 2 thyristor như
hình2.65.
Trong sơ đồ hình 2.65 có:
BA là máy biến áp vừa làm nhiệm cụ cung cấp cho bộ chỉnh lưu vừa cấp điện
áp cho cầu dịch pha loại R-C. Điện áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu cầu một
pha 2 diode, 2 thyristor được lấy trên cuộn thứ cấp w21 (giữa hai đầu 4 và 5) là
u4-5 đồng pha với điện áp u2-0 và ngược pha với u3-0. Do 2 cuộn thứ cấp còn lại
là w22 và w23 có số vòng bằng nhau nên ta có: u2-0 = -u3-0.
Mạch động lực bộ chỉnh lưu gồm các van T1, T2, D1, D2; phụ tải có Rd, Ld, Ed.
Cầu dịch pha để tạo ra các điện áp điều khiển hình sin như đã nêu được thực
hiện bằng các phần tử: hai cuộn thứ cấp w 22, w23 trên đó lấy ra u2-0 và u3-0; hai
nhánh còn lại là điện trở điều chỉnh được R và tụ điện C.
Mạch điện dùng để tạo xung điều khiển tại thời điểm cần thiết sử dụng các
diode DG1 và DG2.
*Nguyên lý làm việc của sơ đồ:
Từ sơ đồ ta có: uC + uR = u2-0 - u3-0, mặt khác ta lại có iC+iG =iR. Người ta thường tính
chọn các thông số của sơ đồ sao cho iC>>iG và iR>>iG nên ta có thể bỏ qua iG trong
biểu thức trên và như vậy ta có iC=iR. Điều này có nghĩa rằng dòng qua tụ C và điện
trở R bằng nhau, dẫn đến điện áp trên R sẽ vượt pha điện áp trên tụ C một góc bằng
900. Thêm vào đó u2-0-u3-0=u2-3 là điện áp giữa hai điểm 2 và 3 bên thứ cấp BA nên nếu
điện áp nguồn là không đổi thì u2-3 cũng không đổi, vậy tổng hai điện áp uR và uC là
một điện áp không đổi. Các phần tử của sơ đồ là tuyến tính nên khi điện áp nguồn u1 là
hình sin thì các điện áp trên R và C cũng hình sin cùng tần số. Biểu diễn phương trình
điện áp trên ở dạng đồ thị véc tơ (hình 2.65b) ta có: véc tơ điện áp trên R vuông góc
với véc tơ điện áp trên tụ C và tổng hai véc tơ này luôn bằng một véc tơ không đổi là
véc tơ điện áp giữa hai điểm 2 và 3. Từ đó ta có nhận xét là khi thay đổi giá trị R hoặc
C hoặc cả hai trong phạm vi vẫn bỏ qua được ảnh hưởng của iG thì điểm mút của véc
tơ điện áp trên R (điểm 1) sẽ dịch chuyển trên một nửa đường tròn đường kính là véc
tơ điện áp u2-3, do vậy mà véc tơ điện áp u0-1 sẽ là véc tơ có mô đun không thay đổi
(bằng bán kính đường tròn). Từ đó ta suy ra là điện áp u0-1 (và cả u1-0) là điện áp hình
sin tần số bằng tần số nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu và có biên độ không thay đổi.
Đây là các điện áp điều khiển mà ta cần tạo ra. Điện áp điều khiển kênh phát xung cho
T1 là u0-1 còn của kênh cho T2 là u1-0. Việc hình thành các xung điều khiển các van ở
những thời điểm bằng không và chuyển sang dương của các điện áp trên được thực
hiện bởi các diode DG1 và DG2.
Nguyên lý: Ta giả thiết tại t0 thì u4-5 =0 và bắt đầu chuyển sang dương, T1 bắt
đầu được đặt điện áp thuận nhưng do u0-1 chậm pha so với u4-5 một góc bằng (trên đồ
thị véc tơ hình 2.62b) nên u0-1 đang âm (điểm 0 âm hơn điểm 1), và do vậy có dòng
điện đi từ điểm 1 qua RG2- G2-K2-DG1-0. Do DG1 mở nên sụt áp trên nó bằng không và
điện áp trên điện cực điều khiển T1 cũng chưa có, van T1 chưa mở. Tại t1=t0+ thì
u0-1=0 và bắt đầu chuyển sang dương, bắt đầu xuất hiện xung dòng qua điện cực điều
khiển của T1 theo đường từ điểm 0-RG1-G1-K1-DG2-1 và van T1 có đủ 2 điều kiện để
mở, dẫn đến T1 mở tại t1=t0+. Đến thời điểm t0'=t0+ thì u4-5=0 và bắt đầu
chuyển sang âm, nó đặt điện áp thuận lên T2 nhưng lúc này u1-0 đang âm, tức là u0-1
đang dương nên DG2 vẫn dẫn dòng nên chưa có xung điều khiển cho T2 và van T2 chưa
mở. Đến t2 =t0'+=t1+=t0++ thì u1-0=0 và bắt đầu chuyển sang dương, dẫn
đến xuất hiện xung dòng điều khiển T2 theo đường: điểm1-RG2-G2-K2-DG1-điểm 0, T2
mở. Các chu kỳ sau sự làm việc của sơ đồ diễn ra tương tự. Từ hoạt động của sơ đồ
như đã nêu ta rút ra kết luận:
Các van chỉnh lưu trong sơ đồ mở chậm so với thời điểm mở tự nhiên một góc
độ điện bằng góc chậm pha của u0-1 so với u2-0 (hoặc so với u4-5), vậy giá trị
góc chậm pha này của u0-1 là giá trị góc điều khiển bộ chỉnh lưu (=).
Từ sơ đồ và nguyên lý hoạt động ta thấy rằng muốn thay đổi giá trị góc điều
khiển thì ta thay đổi tương quan giữa uR và uC, điều này có thể thực hiện bằng
cách thay đổi hoặc R hoặc C hoặc cả R và C. Trong thực tế, khi cần phạm vi
thay đổi của hẹp thì ta giữ C=const và thay đổi trơn giá trị R nhờ dùng biến
trở điều chỉnh trơn; khi cần phạm vi điều khiển rộng thì ta thực hiện thay đổi C
theo một số cấp và với mỗi cấp của C ta điều chỉnh trơn R.
Hệ thống điều khiển này có một số nhược điểm như: phạm vi thay đổi của
không rộng; rất nhạy với sự thay đổi dạng của điện áp nguồn; khó tổng hợp
nhiều tín hiệu điều khiển;..., nên rất ít được sử dụng.
II.4.4 Mach tạo xung dùng dùng diode 2 cực gốc
II.4.4.1 Giới thiệu sơ lược diode hai cực gốc (còn gọi là transitor một tiếp giáp)
Trên hình 2.66a là sơ đồ cấu trúc diode cùng cách đấu các điện áp vào diode để xây
dựng đặc tính V-A và khi làm việc. diode được cấu tạo bởi một tiếp giáp bán dẫn P-N.
Từ một phiến bán dẫn si lic ban đầu loại N người ta đưa tạp chất vào một phần của nó
và hình thành một vùng bán dẫn loại P và ta có tiếp giáp P-N. Vùng chuyển tiếp P-N
chia khối bán dẫn N làm hai phần không đều nhau. Hai đầu của phiến bán dẫn N người
ta lấy ra 2 điện cực là 2 cực gốc B1 và B2. Từ vùng bán dẫn loại P vừa hình thành
người ta lấy ra điện cực thứ 3 là cực phát E. Hình1-64b là ký hiệu qui ước diode 2 cực
gốc trên sơ đồ nguyên lý mạch điện. Hình2.63c là đặc tính V-A của diode hai cực gốc.
Khi ta đặt lên 2 cực gốc một điện áp UBB có cực tính như hình2.66a (UBB được gọi là
điện áp thiên áp) thì qua phiến bán dẫn N có một dòng điện rất nhỏ đi từ B2 sang B1 và
dòng điện này được gọi là dòng định thiên. Do r1 cũng có giá trị nhỏ nên sụt áp trên nó
gây nên bởi dòng định thiên có thể bỏ qua. Khi nguồn uE (được gọi nguồn điện áp
phát) bằng không thì qua cực phát E có một dòng điện ngược có giá trị bằng IE0 rất nhỏ
(lúc đó uEB1=uE-ur2=uE=0). Khi cho một giá trị uE>0 nhưng nhỏ thì dòng ngược cực
phát giảm, tăng uE thì dòng ngược tiếp tục giảm và khi uE đạt giá trị UE0 thì iE=0. Nếu
tiếp tục tăng uE thì xuất hiện dòng thuận qua cực phát, chừng nào mà uE còn nhỏ hơn
UEmax (tức là uEB1 cũng nhỏ hơn UEmax vì ta đang bỏ qua sụt áp trên r1 đang rất nhỏ) thì
dòng cực phát vẫn có giá trị rất nhỏ. Khi tăng uE đạt đến giá trị UEmax thì trong diode
xẩy ra quá trình đột biến: dòng qua diode tăng còn điện áp giữa E và B1 giảm, diode
chuyển sang làm việc trên đoạn đặc tính DT với điện áp uEB1 nhỏ còn dòng qua cực
phát và cực gốc B1 lớn. Khi diode làm việc trên đoạn đặc tính này thì gần như toàn bộ
điện áp uE đặt lên r1, lúc này ta nói diode đang ở trạng thái mở. Còn khi diode làm
việc trên đoạn đặc tính A-B-C thì dòng qua cực phát và cực gốc B1 không đáng kể, ta
có thể bỏ qua và xem như bằng không và trạng thái làm việc này được gọi là trạng thái
khoá (chưa mở) của diode 2 cực gốc. Khi diode đang làm việc trên đoạn đặc tính DT,
nếu ta giảm điện áp nguồn phát uE thì dòng iE và điện áp uEB1 cũng đều giảm, song điện
giảm rất ít, khi điểm làm việc tiến gần đến điểm D thì dòng qua cực phát và cực gốc B1
giảm xuống rất nhỏ, lúc này sụt điện áp trên r1 gần bằng không và ta bỏ qua, vậy trong
trường hợp đó thì uEB1 lại bằng uE. Khi giảm uE xuống bằng UEmin thì điểm làm việc
của diode là điểm D, nếu tiếp tục giảm uE thì điểm làm việc của diode sẽ chuyển sang
đoạn
đặc
tính
AB và
diode
chuyể
n từ
mở
sang
khoá.
**Kết luận:
Khi diode 2 cực gốc đang khoá, muốn mở diode ta tăng điện áp uE đến giá trị
UEmax.
Khi diode 2 cực gốc đã mở, muốn chuyển diode sang trạng thái khoá thì ta
giảm điện áp uE xuống UEmin .
Theo các tài liệu thì:
UEmax=.UBB+U, với là hệ số cấu tạo của diode, =0,450,9; U là
sụt điện áp trên một tiếp giáp P-N của bán dẫn si-lic cỡ 0,50,7V.
+
N iE
P
uE
UBB
uEB1
-
iE
r2
r1
B2 B2
E E
T
UEmin D
C 0
A B
uBB=0 (nÐt ®øt)
uBB>0 (nÐt
liÒn)
uEB1
IEmin
B1 B1 UEmax UE0 -IE0
a
b
c
Hình 2.66
UEmin cỡ 1,5 đến 2 V, nhưng khi xét nguyên lý hoạt động thì để cho đơn
giản trong nhiều trường hợp ta giả thiết xem UEmin=0.
Khi không đặt điện áp thiên áp hoặc UBB=0 thì đặc tính V-A của diode 2 cực
gốc giống như của diode thường (đường nét đứt trên hình 2.66c). Thông thường với
các diode 2 cực gốc hiện nay thì nguồn UBB nằm trong khoảng từ 15V đến 30V .
II.4.4.2 Mạch phát xung dùng diode 2 cực gốc
Sơ đồ một mạch phát xung đơn giản dùng diode 2 cực gốc như hình2.67a và đồ thị
minh hoạ sự làm việc của sơ đồ cho trên hình2.67b.
Ta có nguyên lý làm việc của sơ đồ như sau:
Giả thiết tại t=0 bắt đầu đóng nguồn Ucc (trước đó thì uc=0) thì diode 2 cực gốc
được cấp điện áp định thiên, đồng thời tụ C cũng được nạp điện bởi Ucc qua điện trở R.
Điện áp trên tụ C tăng dần theo biểu thức: uc= (1-e-t/R.C
).Ucc, mà điện áp trên C đặt vào
cực phát và gốc B1 qua R1, như vậy uc đóng vai trò nguồn uE, nên khi uc đạt đến giá trị
UEmax thì D (diode 2 cực gốc) mở và tụ C sẽ phóng điện qua mạch cực phát E và cực
gốc B1,qua R1. Do D đang mở nên điện áp uEB1 rất nhỏ, lúc đó trên R1 ta có một xung
điện áp ra ura=uc-uEB1uc. Khi điện áp trên tụ giảm xuống bằng uEmin thì D khoá lại, mất
điện áp ra (ura=0) và tụ C lại được nạp. Quá trình cứ diễn ra lặp đi lặp lại như vậy
mang tính chất chu kỳ với thời gian một chu kỳ:
Tck R.C.ln[1/ (1-)].
Để sơ đồ có thể tự do dao động thì phải đảm bảo điều kiện:
Rmin < R < Rmax
Trong đó:
Rmin= (Ucc-UEmin)/IEmin và Rmax= (Ucc-UEmax)/IE1, với IE1 là giá trị dòng
cực phát tương ứng với điểm C trên đặc tính V-A của diode, thường từ 0,5 đến
20 A.
Nhận xét: Mạch phát
xung này tương đối
đơn giản, xung ra trong một số trường hợp đủ để mở các thyristor công suất nhỏ. Tuy
vậy với sơ đồ như vừa xét thì chưa thể áp dụng để điều khiển bộ chỉnh lưu vì tần số
xung phụ thuộc vào thông số các linh kiện trong sơ đồ, thời điểm xuất hiện xung đầu
tiên phụ thuộc vào thời điểm đóng nguồn cung cấp cho mạch phát xung. Cũng từ nhận
xét này ta thấy rằng nếu cung cấp cho sơ đồ bởi một nguồn điện áp dạng xung mà tốt
nhất là xung nguồn hình chữ nhật với tần số bằng tần số nguồn cung cấp cho bộ chỉnh
lưu và thời điểm đầu của mỗi xung nguồn trùng hoặc lệch một góc xác định so với thời
t
t
+
Ucc
-
R2 R
D
uc C ura R1
uc
UEmax
u
t3 t2' t2 t1' 0 t1
Tck
0
UEmin
ura
t3 t2' t2 t1' t1 a b
Hình 2.67
điểm mở tự nhiên của van được điều khiển từ mạch phát xung này thì thời điểm xuất
hiện xung ra đầu tiên trong mỗi chu kỳ xung nguồn (cũng là chu kỳ nguồn cung cấp
cho bộ chỉnh lưu) cũng sẽ lệch một góc xác định so với thời điểm mở tự nhiên đối với
van chỉnh lưu và có thể thay đổi được góc lệch này bằng cách thay đổi thông số sơ đồ
hoặc dòng nạp tụ. Trong thực tế để tạo ra các xung nguồn dạng chữ nhật như đã nêu
tương đối phức tạp, nhưng người ta có thể tạo ra các xung nguồn gần dạng hình thang
một cách dễ dàng (sơ đồ sau), và dạng nguồn này cũng có thể sử dụng được.
II.4.4.3 Mạch phát xung điều khiển thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu
dùng diode 2 cực gốc
Giới thiệu sơ
đồ:
BA là máy biến áp dùng để cấp nguồn cho mạch phát xung và đồng thời đảm
nhận chức năng đồng bộ hoá (tức là tạo ra nguồn dạng xung với tần số bằng tần số làm
việc của van chỉnh lưu và trùng hoặc lệch một góc xác định so với thời điểm mở tự
nhiên đối với van). Điện áp u1 đặt vào cuộn sơ cấp BA là điện áp nguồn cung cấp cho
bộ chỉnh lưu, ở đây điện áp cuộn thứ cấp u2 sẽ trùng pha với u1 .
D1 là diode chỉnh lưu để biến điện áp xoay chiều hình sin u2 thành điện áp một
chiều dạng nửa sóng hình sin.
Điện trở hạn chế R1 kết hợp với diode ổn áp D2 là một mạch ổn định điện áp.
Do điện áp vào mạch ổn áp có dạng những nửa sóng hình sin phần dương nên: ở giai
đoạn đầu và cuối của xung điện áp uD1 khi uD1<U0 (U0 là giá trị ổn áp của diode ổn áp
D2) thì D2 chưa làm việc, bỏ qua sụt áp trên R1 gây nên bởi dòng cấp cho mạch phát
xung trong các khoảng này có giá trị rất nhỏ thì điện áp đầu ra mạch ổn áp uD2=uD1.
Trong những khoảng mà uD1U0 thì D2 làm việc và điện áp trên nó không đổi và bằng
giá trị ổn định uD2=U0. Vậy dạng điện cung cấp cho mạch phát xung (=uD2) là dạng
xung hình thang và nếu giả thiết là thời điểm tự nhiên đối với van được điều khiển bởi
mạch phát xung này là các thời điểm bằng không và bắt đầu chuyển sang dương của u2
thì thời điểm đầu mỗi xung nguồn trùng với các thời điểm này
Để nạp điện cho tụ C ta thay biến trở R trong sơ đồ trước bằng mạch tạo dòng
nạp ổn định và điều khiển được bởi điện áp điều khiển uđk, mạch này gồm: transitor Tr,
biến trở hiệu chỉnh R2, nguồn điện áp điều khiển uđk .
Mạch để lấy xung ra ta thay bằng máy biến áp xung BAX. Diode 2 cực gốc
trên sơ đồ ký hiệu là UJT.
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ như sau:
R1 D2 u®k
R3 * * Tr - + uD
1 u2 u1 D2
D4
uD2 UJT R2
BA
*
D3 C uc u®k
T
BAX
* Hình 2.68
Hình 2.69
t
u
t 0
U0 uD2 u
u®kT
t
0
0
UEmax
UEmin
U0 uD2
uD1
uc
Tại t=0 thì u2=0, bắt đầu chuyển
sang dương nên D1 mở và có điện áp
cung cấp cho mạch phát xung. Tụ C
bắt đầu được nạp bởi dòng điện có giá
trị ổn định nên điện áp trên tụ tăng
theo qui luật tuyến tính. Khi uc=UEmax
thì UJT mở, tụ C phóng điện qua UJT
và cuộn sơ cấp BAX làm xuất hiện
xung bên thứ cấp BAX và nó được
đưa qua D4 đến điện cực điều khiển
của thyristor. Khi uc giảm xuống bằng
UEmin thì UJT khoá lại, tụ C ngừng
phóng điện và lại được nạp, còn diode
D3 dùng để khử xung điện áp âm khi
UJT khoá. Tuỳ thuộc giá trị dòng nạp
tụ mà trong thời gian một xung điện áp nguồn (một nửa chu kỳ điện áp xoay chiều) có
thể xuất hiện một hoặc một số xung đầu ra. Góc điều khiển được xác định bởi thời
điểm xuất hiện xung điều khiển đầu tiên (như hình2.69).
Với mạch phát xung trên đây thì phạm vi thay đổi của góc điều khiển <1800 vì
xung ra chỉ có đủ chất lượng khi nó nằm trong vùng điện áp uD2 U0 .
II.4.4.4 Mạch điện thay thế diode 2 cực gốc bằng transitor
Trong một số trường hợp để đảm bảo khắc phục sự cố,
đưa bộ chỉnh lưu vào làm việc. Lúc đó nếu mạch phát
xung hỏng UJT không có linh kiện thay thế ta có thể
dùng hai transitor khác loại đấu theo sơ đồ hình 2.70.
Lúc đó cần phải tính chọn các điện trở để đảm
bảo được sự tương đương ở mức nhất định.
Trong sơ đồ này Tr1 là loại transitor P-N-P
(thuận), còn Tr2 là
transitor loại
N-P-N (ngược).
II.4.5 Mạch điều
khiển BBĐ đảo
chiều
II.4.5.1 Mạch điều
khiển BBĐ đảo
chiều điều khiển
phối hợp tuyến tính
urc
uk1
uC
2
ub3 BA§a
*
uA *
u®ba
1 u®ba
R4
R19 R6 U0
U0
R7
R10
R11
R8
R12 R20 R13
D1
R9
R14
R15 D2
R16
R21 R17
R18
R5
R3
R2
u®k
ura1 u®kth
ura2 u®kn
g
C1
C2
+Ucc
R1
Tr4
Tr3
Tr1 Tr2
-Ucc
-
+
IC2
Kªnh ph t xung cho T4 vµ T10
-
+
IC3 -
+
IC1
Hình 2.71
+
R R2 Tr1
Ucc R3
Tr2
C -
R1 ura
Hình 2.70
Để điều khiển các BBĐ đảo chiều theo phương pháp điều khiển này người ta chủ yếu
chỉ sử dụng nguyên tắc khống chế pha đứng. Mạch điều khiển BBĐ này về cơ bản có
các khối hoàn toàn tương tự như mạch điều khiển BBĐ không đảo chiều đã nghiên
cứu. Điểm khác duy nhất của nó cũng là điểm đặc biệt của hệ thống điều khiển này là
mạch phải phát xung điều cho cả hai sơ đồ chỉnh lưu và đảm bảo sao cho tổng góc
điều khiển hai sơ đồ chỉnh lưu luôn bằng 1800. Các phần mạch khác của hệ thống điều
khiển BBĐ đảo chiều điều khiển phối hợp tuyến tính cũng tương tự như của hệ thống
điều khiển BBĐ không đảo chiều. Để đảm bảo cho 1+ 2=1800 thì người thực hiện
ngay trong hai khối đầu của hệ thống điều khiển và cũng có thể thực hiện bởi việc gia
công điện áp điều khiển uđk. Sau đây ta sẽ nghiên cứu một ví dụ về kênh phát xung
điều khiển cho hai van T1 và T7 trong BBĐ đảo chiều theo sơ đồ hình 2.40.
Sơ đồ mạch điều khiển biểu diễn trên hình 2.71, ở đây ta chỉ biểu diễn phần
đồng bộ hoá-tạo điện áp răng cưa và khối so sánh, còn các phần mạch còn lại thì có thể
sử dụng các mạch tương tự như mạch điều khiển BBĐ không đảo chiều. Trong sơ đồ
này ta sử dụng mạch dịch pha R-C bằng R1, R2, C1 để dịch điện áp lấy bên cuộn dây
thứ cấp máy biến áp đồng bộ BAĐa đi một góc 300 và như vậy điện áp uđba1 sẽ có thời
điểm bằng không và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương trùng với thời điểm mở tự
nhiên đối với T1 và T7 trong sơ đồ mạch động lực (hình 2.40). Nguyên lý hoạt động
của sơ đồ này như sau:
Hình 2.72
u®ba
1
t
2
ub
e
ub
e
ik
1
ub3
/2 uC2
UC2max=Uc
c
-
Ucc
t 2 t
t 2
3 1
2
u
ura
1
ura2
t 2
1
2
t 2
t
0
0
0
0
0
0
ur
c
-u®kng
t
urc+U0
-
u®kt
h
Ta giả thiếy là tại t=0 thì uđba1=0 và bắt đầu chuyển sang dương, chỉ sau thời
điểm này một khoảng thời gian rất ngắn thì uđba1 đạt giá trị bằng sụt áp trên tiếp giáp
gốc-phát khi mở của transitor Tr1 và lúc đó Tr1 sẽ mở bão hoà. Tr1 mở thì tr2 khoá nên
Tr3 cũng khoá và tụ C2 sẽ được nạp bởi dòng cực góp của Tr4. Do cách mắc Tr4 như sơ
đồ ta có dòng cực góp Tr4 không đổi (ik4Ucc/R6=const), vì vậy điện áp trên C2 tăng
theo qui luật tuyến tính. Đến t thì uđba1 không đủ làm mở Tr1 nên Tr1 khóa lại, dẫn
đến Tr2 mở làm cho Tr3 mở và tụ C2 sẽ phóng điện qua Tr3 đến điện áp bằng không và
sẽ duy trì giá trị bằng không cho đến đầu nửa chu kỳ dương tiếp theo của uđba1 thì Tr1
lại mở và tụ lại được nạp. Trong sơ đồ này thường thì người ta hiệu chỉnh giá trị R6 để
cho biên độ điện áp trên C2 bằng Ucc. Điện áp răng cưa là điện áp giữa cực góp Tr4 so
với điểm chung (mát) và nó bằng: urc=-Ucc+uC2. Điện áp răng cưa này sử dụng chung
cho cả hai kênh phát xung cho T1 và T7 trong BBĐ đảo chiều, nó được đưa vào cả hai
mạch so sánh bằng IC2 (cho T1) và IC3 (cho T2). Trên đầu vào các mạch so sánh còn
được đặt một điện áp ổn định U0 lấy từ mạch phân áp bằng R19 và các điện áp điều
khiển, giá trị U0 được điều chỉnh bằng một nửa biên độ điện áp răng cưa để cho đường
cong điện áp tổng hợp trên đầu vào
mạch so sánh khi điện áp điều khiển
bằng không cắt trục hoành tại t=/2,
5/2,.... Điện áp điều khiển các kênh
phát xung cho bộ chỉnh lưu thuận
được lấy bằng điện áp điều khiển
chung (uđkth=uđk), còn điện áp điều
khiển các kênh phát xung cho bộ
chỉnh lưu ngược được lấy từ đầu ra bộ
khuếch đại đảo với hệ số khuếch đại
bằng 1, mà tín hiệu vào là điện áp
điều khiển chung, vậy uđkng=-uđk. Sự
làm việc của mạch so sánh được thể
hiện trên đồ thị hình 1-70. Từ đồ thị ta
thấy rằng:
Nếu uđk>0 (tức là -uđkth=-
uđk<0) thì 1=/2- </2, còn
2=/2+>/2
Nếu uđk<0 (tức là -uđkth=-
uđk>0) thì 1=/2+ >/2,
còn 2=/2-</2
Nhưng ta luôn luôn có
1+2=, có nghĩa rằng tín hiệu điều
khiển van của hai bộ chỉnh lưu thuận
và ngược tuân theo đúng qui luật của
Hình 2.73
Thêi ®iÓm thay ®æi gi¸ trÞ u®k u urc
t
0
u®k U®k1
U®k2
1 2
Thêi ®iÓm gãc ®iÒu
khiÓn thay ®æi
phương pháp điều khiển phối hợp tuyến tính BBĐ đảo chiều. Đối với các cặp van khác
ta cũng có các mạch tương tự, chúng khác nhau chủ là pha của điện áp đồng bộ.
II.4.5.2 Mạch điều khiển BBĐ đảo chiều ứng dụng phương pháp điều khiển riêng
Khi điều khiển các BBĐ đảo chiều theo phương pháp điều khiển riêng thì mạch phát
xung cho các bộ chỉnh lưu hoàn toàn tương tự như mạch phát xung điều khiển BBĐ
không đảo chiều. Tuy nhiên để đảm bảo sự đảo chiều diễn ra nhanh nhất và an toàn thì
người ta thường sử sử dụng một mạch lôgic để thực hiện khống chế quá trình đảo
chiều. Trong phần này ta chỉ giới thiệu về mạch lôgic khống chế quá trình đảo chiều.
Mạch lôgic này hoạt động trên nguyên tắc:
Khi một bộ chỉnh lưu (ví dụ bộ thuận ) đang làm việc, cần đảo chiều dòng tải ta
phải cắt bộ chỉnh lưu đang làm việc (thuận ) và phát xung cho bộ chỉnh lưu kia (bộ
ngược) để đưa nó vào làm việc. Để thực hiện quá trình đó ta chỉ cần phát lệnh đảo
chiều (ví dụ khi cho bộ thuận làm việc ta đặt điện áp chủ đạo dương, khi cần đảo chiều
dòng tải ta chuyển điện áp chủ đạo sang âm và ngược lại), mạch lôgic sẽ tự động thực
hiện các công việc cần thiết để đảm bảo quá trình diễn ra nhanh nhất nhưng đảm bảo
an toàn. Để đảm bảo được điều đó thì mạch lôgic phải thực hiện một số công việc cơ
bản như sau: Khi nhận được lệnh đảo chiều thì đầu tiên mạch lôgíc phải phát ra tín
hiệu cắt xung điều khiển của bộ đang làm việc để chuyển nó sang chế độ nghỉ, dựa vào
tín hiệu kiểm tra trạng thái dẫn dòng của các van để nhận biết được thời điểm tất cả
các van ngừng dẫn dòng và mạch sẽ tự động duy trì một khoảng thời gian ngừng dòng
(thời gian trễ) để đảm bảo các van đã phục hồi tính chất điều khiển rồi mới phát tín
hiệu khống chế cho phép mạch phát xung cho bộ chỉnh lưu khác làm việc và phải duy
trì chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu đó cho đến khi có lệnh đảo chiều hoặc dừng.
Mạch điện để kiểm tra trạng thái dẫn của cac van thường sử dụng các dụng cụ quang-
bán dẫn vì nó đảm bảo sự cách ly tốt về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển
bộ chỉnh lưu, các dụng cụ thường sử dụng là photo-transitor hoặc TO (photo-triac).
Một số sơ đồ chuyển mạch lôgíc được giới thiệu trong phần phụ lục.
II.4.5.3 Hàm truyền bộ chỉnh lưu
Khi nghiên cứu sự làm việc của sơ đồ chỉnh lưu người ta thấy rằng: Khi ta tác động
đến tín hiệu điều khiển để điều chỉnh điện áp đầu ra thì thông thường tín hiệu ra thay
đổi chậm hơn tín hiệu vào một thời gian nào đó (xem hình 2.73).
Từ đồ thị ta thấy rõ rằng: Sau khi ta thay đổi giá trị tín hiệu điều khiển ở đầu
vào khâu so sánh (giả thiết là nghiên cứu với trường hợp điều khiển bộ chỉnh lưu theo
nguyên tắc pha đứng) được một khoảng thời gian bằng hay qui ra góc độ điện bằng
thì hệ thống mới bắt đầu phát xung với giá trị góc điều khiển mới (2). Điều này có
nghĩa rằng tín hiệu đầu ra (điện áp chỉnh lưu) thay đổi chậm hơn tín hiệu vào (điện áp
điều khiển mạch phát xung) một thời gian bằng . Vậy theo lý thuyết điều khiển tự
động ta có hàm truyền bộ chỉnh lưu có
điều khiển WT (p) là:
WT (p)=KT.e-.P
KT/ (1+.p) .
Giá trị của phụ thuộc vào giá trị tính hiệu điều khiển trước khi thay đổi (Uđk1),
hướng thay đổi (tăng hay giảm) và giá trị tín hiệu điều khiển mới (Uđk2). Giá trị của
có thể tiến đến 0 và cũng có thể tiến đến T/q (T là thời gian một chu kỳ điện áp nguồn
xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu). Trong tính toán người ta thường chọn giá trị
của bằng trung bình cộng giữa giá trị max và giá trị min, vậy thường lấy =T/ (2.q).
KT là hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu, nó là một đại lượng phi tuyến. Trong tính
toán gần đúng ta xem KT là hằng số và tìm bằng cách tuyến tính hoá đặc tuyến Ud=f
(uđk).
II.5 Tính chất điều khiển của bộ chỉnh lưu (tham Khảo tài liệu)
II.6 Bảo vệ bộ chỉnh lưu
II.6.1 Khái niệm chung
Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển cũng là một thiết bị điện cho nên khi sơ đồ hoạt động
cũng có thể phát sinh các trường hợp sự cố và đòi hỏi phải có các trang thiết bị bảo vệ.
Ngoài ra do những đặc trưng riêng của các phần tử sử dụng trong bộ chỉnh lưu, nhất là
các van chỉnh lưu có điều khiển mà cần thiết phải trang bị thêm một số loại bảo riêng
cho bộ chỉnh lưu. Khi sơ đồ chỉnh lưu làm việc, các tác nhân có thể gây hỏng van và
ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của sơ đồ là:
Nhiệt độ các van quá giá trị cho phép.
Quá giá trị dòng điện qua van do quá tải hay ngắn mạch hoặc quá tốc độ tăng
của dòng qua van.
Quá điện áp trên van về giá trị hoặc tốc độ tăng.
Để cho các sơ đồ chỉnh lưu làm việc an toàn và đảm bảo tuổi thọ các van ta
phải trang bị các thiết bị bảo vệ cho bộ biến đổi .
II.6.2 Bảo vệ quá nhiệt và quá dòng
II.6.2.1 Bảo vệ quá nhiệt
Khi các van chỉnh lưu làm việc thì thực tế là trên van có một sụt điện áp nên sẽ
có một tổn thất công suất. Toàn bộ tổn thất công suất trên van được biến thành nhiệt và
nung nóng cấu trúc bán dẫn của van làm tăng nhiệt độ của nó. Để cho các van không
bị phát nóng quá nhiệt độ cho phép ta sử dụng các biện pháp truyền nhiệt sinh ra trong
cấu trúc của van khi làm việc ra môi trường xung quanh (thường gọi là tản nhiệt hay
làm mát) bằng một số biện pháp sau:
Dùng cánh tản nhiệt bằng nhôm hoặc bằng đồng (thường dùng nhôm vì rẻ và
nhẹ) đối với các trường hợp dòng nhỏ.
Dùng cánh tản nhiệt bằng nhôm hoặc đồng kết hợp quạt gió làm mát cho các
trường hợp dòng nhỏ và trung bình.
Dùng cánh tản nhiệt bằng nhôm hoặc đồng kết hợp bơm chất lỏng làm mát cho
các trường hợp dòng trung bình và lớn, chất lỏng được sử dụng có thể là nước cất khi
điện áp làm việc thấp hoặc là dầu cách điện khi điện áp làm việc cao.
II.6.2.2 Bảo vệ quá dòng
a/- Bảo vệ quá tải
Để bảo vệ quá tải cho bộ chỉnh lưu ta cũng sử dụng rơ le nhiệt hoặc áp-tô-mát có cơ
cấu cắt theo nhiệt như các thiết bị điện khác.
b/- Bảo vệ ngắn mạch
Để bảo vệ ngắn mạch cho bộ chỉnh lưu ta sử dụng cầu chì tác động nhanh (cắt nhanh)
hoặc áp-tô-mát có cơ cấu cắt nhanh (điện từ) .
c/- Bảo vệ quá tốc độ tăng của dòng qua van diT/dt
Trong trường hợp xẩy ra quá diT/dt đối với van thì ta nối tiếp với các van các điện cảm
thường có giá trị nhỏ. Thực tế thì các điện cảm này thường được mắc nối tiếp trong
mạch nguồn xoay chiều. Khi sơ đồ chỉnh lưu có sử dụng biến áp cung cấp thì chỉ cần
chọn máy biến áp có điện áp ngắn mạch phần trăm lớn (từ 7% đến 10%) là đủ để bảo
vệ quá diT/dt cho các van.
II.6.3 Bảo vệ quá điện áp cho các van bộ biến đổi
II.6.3.1 Các nguyên nhân gây nên quá áp cho các van
a/- Các quá điện áp phát sinh từ bên ngoài bộ biến đổi (BBĐ)
Đây là các quá điện áp phát sinh do tác động của các thiết bị đóng cắt và bảo vệ lưới
điện và các hiện tượng môi trường (sét). Các nghiên cứu đã cho thấy rằng trong các
lưới điện 220-380V có thể phát sinh quá áp đến 45 lần điện áp lưới, còn ở các lưới
điện có điện áp cao hơn có thể xuất hiện quá áp đến 3 lần điện áp lưới.
b/- Các quá điện áp bên trong có đặc trưng không lặp lại
Đây là các quá điện áp xuất hiện liên quan đến sự làm việc của sơ đồ BBĐ nhưng
không lặp đi lặp lại. Các quá điện áp này thường do một số nguyên nhân sau:
Do đóng máy biến áp cung cấp cho bộ biến đổi vào lưới điện xoay chiều trong
trường hợp điện áp sơ cấp lớn hơn nhiều so với điện áp ra bên thứ cấp.
Khi nối BBĐ với nguồn xoay chiều (do tốc độ tăng của điện áp và các dao động
ký sinh gây nên).
Cắt máy biến áp cung cấp cho BBĐ ở chế độ không tải hoặc tải nhỏ (do sự biến
đổi đột ngột của từ trường khi mất dòng từ hoá đột ngột).
Tác động của các thiết bị bảo vệ dòng khi quá tải hoặc ngắn mạch.
c/- Các quá điện áp bên trong có đặc trưng lặp lại
Đây cũng là các quá điện áp xuất hiện liên quan đến sự làm việc của BBĐ nhưng
lặp đi lặp lại mang tính chu kỳ, nó thường do:
Quá áp do cộng hưởng: Khi trong sơ đồ BBĐ có một mạch vòng nào đó có tần
số cộng hưởng riêng trùng với tần số một sóng hài nào đó của dòng tải hoặc nguồn sẽ
xuất hiện hiện tượng cộng hưởng và gây quá áp cho các van.
Quá áp do quá trình chuyển mạch dòng điện các van: Quá điện áp dạng này có
thể xuất hiện cả khi mở và khoá van và mang tính chu kỳ. Đây là dạng quá áp phát
sinh trong tất cả mọi sơ đồ và mọi chế độ làm việc và có thể gây quá áp cả về giá trị
cũng như tốc độ thay đổi duT/dt.
II.6.3.2 Tác động của quá điện áp đối với các van chỉnh lưu
K
2 K
3 K
1
R E
C
2 L
Hình 2.75
Đối với các van bán dẫn, đặc biệt là các van có điều khiển (thyristor) thì sự vượt quá
giá trị cho phép cả về trị số và tốc độ thay đổi duT/dt đều có thể gây nên hỏng van,
ngay cả khi thời gian quá áp là rất ngắn (cỡ s). Do vậy trong sơ đồ BBĐ buộc phải có
các thiết bị bảo vệ để tránh cho các van không bị quá điện áp.
II.6.3.3 Các phương pháp mắc thiết bị bảo vệ quá áp và tính toán
Trên hình 2.74 biểu
diễn mạch động lực
của một sơ đồ chỉnh
lưu cầu ba pha và các phương pháp nối các thiết bị bảo vệ quá áp. Để bảo vệ quá điện
áp cho các van trong sơ đồ BBĐ người ta sử dụng các mạch R-C mắc theo một số sơ
đồ khác nhau. Để tính toán giá trị của R và C người sử
dụng sơ đồ thay thế hình 2.75. Các giá trị R và C tính
được tương ứng với trường hợp mạch bảo vệ R-C mắc
theo sơ đồ hình2.74e (mắc song song với mỗi van). Khi
sử dụng sơ đồ khác thì ta tính toán lại các giá trị R1,C1
và R2, C2 theo các công thức sau:
R1=R/2; C1=2C
R2=3R/2; C2=2C/3
Trong sơ đồ thay thế hình 2.74 thì E là nguồn s.đ.đ sử dụng để tính toán và
trong một số trường hợp thì E là quá áp phát sinh bên ngoài truyền vào BBĐ; L là tổng
điện cảm trong mạch vòng gây nên quá áp, L thay đổi tuỳ từng trường hợp quá áp; các
công tắc K1, K2, K3 là các khoá để đóng hoặc cắt phục vụ cho tính toán trong từng
trường hợp cụ thể, ví dụ để tính toán với trường hợp quá áp do thiết bị bảo vệ ngắn
mạch tác động thì ta thực hiện cho K2 kín, K3 hở, đóng K1 để dòng trong mạch (qua
K1) tăng lên, khi dòng đạt giá trị tác động của thiết bị bảo vệ dòng ngắn mạch thì đồng
thời cắt K1, K2 và đóng K3 và bắt đầu tính toán với mốc thời gian t=0 từ thời điểm này.
Điện áp giữa 2 điểm 1 và 2 là điện áp đặt lên van.
id
Rd
Ld
Ed
K
A
T1 T3 T5
ud
T2
T*
T6 T4
a
a a
a
b
b b
b
c
c c
c
* *
* *
*
B
A
MC1 MC
2 A
*
B
C
R1 R1
C
1
C1 R2
C2 R C
a
b
e
c d
Hình 2.74
Các giá trị R và C có thể tìm trong các tài liệu tham khảo khác nhau. Trong một
số trường hợp người ta có thể áp dụng các công thức kinh nghiệm, tuy kết quả không
chính xác lắm nhưng cũng có thể chấp nhận được mà quá trình tính toán lại đơn giản.
**Chú ý: -Trừ hai trường hợp quá áp do nối BBĐ với lưới dòng xoay chiều và do quá
trình chuyển mạch thì tất cả các quá điện áp do các nguyên nhân khác có thể sử dụng
một trong 3 sơ đồ mắc mạch bảo vệ là hình 2.74b, d hoặc e.
Quá áp do nối BBĐ với lưới
dòng xoay chiều thì phải sử dụng các
mạch R-C mắc theo sơ đồ hình 2.74c
(mắc hình sao có trung tính nối đất).
Quá áp do quá trình chuyển
mạch thì phải sử dụng các mạch R-C
mắc song song với mỗi van
(hình2.74e). Các thông số R và C với
trường hợp này đã được tối ưu hoá,
bằng máy tính điện tử người ta đã lập
ra một số quan hệ cho phép xác định
giá trị tối ưu của R và C (hình2.76).
Ta có các quan hệ: Ua/Up; G=b/0; H=0Uk phụ thuộc vào F,
Trong đó F= (I. L/C )/Uk; b=R/ (2L) biểu diễn bởi các đường cong hình 2.76.
Trong đó Uk < Up là điện áp chuyển mạch, còn I là giá trị dòng qua tải tại thời điểm
diễn ra chuyển mạch, Ua biên độ quá áp, Up biên độ điện áp nguồn.
Từ giá trị quá áp cho phép lặp lại Un ta chọn Ua/Up,theo hình 1-69 ta tìm được F
và từ giá trị của F tìm được G,H .
Cuối cùng xác định được:
C=L (I/UpF)2; R=2G L/C ; 0=1/ LC ; duT/dt = H.Up. 0
1
Ua/Up 10
8
H 6
4
2
1 08 0,6
G 0,4
F
0,2
0,1 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 2 4 6 8 10
Hình 2.76
CHƯƠNG 3
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU THÀNH XOAY CHIỀU
(Bộ biến đổi điện áp pha)
III.1. Khái niệm chung
Trong kỹ thuật điện có nhiều trường hợp cần phải biến đổi một điện áp xoay chiều giá
trị không đổi thành điện áp xoay chiều có giá trị điều chỉnh được. Để biến đổi một điện
áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều cùng tần số nhưng có giá trị khác thì phổ biến
nhất là dùng máy biến áp. Máy biến áp có ưu điểm là kết cấu gọn, làm việc tin cậy, độ
bền cao và nếu điện nguồn có dạng hình sin thì điện áp ra cũng có dạng hình sin. Tuy
vậy máy biến áp cũng có nhược điểm là khó thực hiện thay đổi trơn điện áp ra, nhất là
trong trường hợp công suất trung bình và lớn, điều này cũng hạn chế khả năng sử dụng
máy biến áp trong một số trường hợp. Khi yêu cầu điều chỉnh trơn điện áp ra trong
phạm vi rộng, đặc biệt là khi công suất trung bình và lớn thì người ta sử dụng một
BBĐ khác được gọi là BBĐ xoay chiều-xoay chiều hay BBĐ điện áp pha. BBĐ xoay
chiều-xoay chiều là thiết bị biến đổi điện năng sử dụng các dụng cụ bán dẫn có điều
khiển. Nguyên tắc hoạt động của BBĐ là sử dụng tính chất có điều khiển của các dụng
cụ bán dẫn để cắt đi một phần trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp nguồn xoay chiều
hình sin làm cho điện áp ra có giá trị hiệu dụng nhỏ hơn điện áp nguồn. BBĐ này có
ưu điểm là kết cấu cũng gọn nhẹ, hiệu suất cao, làm việc tin cậy, có khả năng điều
chỉnh trơn điện áp ra trong phạm vi rộng với mọi cấp công suất. Nhưng BBĐ này cũng
có một số nhược điểm là độ tin cậy không bằng máy biến áp, thiết bị điều khiển tương
đối phức tạp, bị hạn chế về công suất do khả năng chịu dòng và áp của các dụng cụ
bán dẫn bị giới hạn, và đặc biệt là khi điện áp nguồn hình sin thì điện áp ra không còn
dạng hình sin nữa.
Các BBĐ xoay chiều-xoay chiều được ứng dụng trong một số trường hợp như
sau:
Để điều khiển tốc độ của các động cơ xoay chiều không đồng bộ công suất nhỏ
bằng phương pháp thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho mạch stato của động cơ.
Khởi động các động cơ xoay chiều không đồng bộ rô to lòng xóc công suất
trung bình và lớn.
Cung cấp cho cuộn sơ cấp của máy biến áp tăng áp khi có yêu cầu điều chỉnh
trơn điện áp ra, ví dụ máy biến áp cung cấp cho bộ nắn điện cao áp cấp cho lò tần số
dùng đèn phát điện tử loại 3 cực.
III.2. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều một pha
III.2.1 Các sơ đồ BBĐ điện áp xoay chiều thành điện áp
xoay chiều một pha (BBĐ điện áp pha một pha)
Trên các hình 3.1 là các sơ đồ mạch động lực BBĐ điện áp pha một pha. Hình 3.1a là
sơ đồ dùng 2 Thyristor mắc song song ngược. Hình 3.1b là sơ đồ dùng 2 diode và 2
Thyristor với mục đích là để cho katôt 2 Thyristor nối chung. Hình 3.1c là sơ đồ dùng
triac, triac là dụng cụ bán dẫn cho dòng điện qua cả hai chiều nhưng điều khiển được,
về phần động lực thì nó tương đương như 2 Thyristor mắc song song ngược nhưng chỉ
có một điện cực điều khiển nên kết cấu gọn hơn dùng 2 Thyristor mắc song song
ngược cả về mạch lực cũng như mạch tạo tín hiệu điều khiển. Hình 3.1e là sơ đồ BBĐ
xoay chiều-xoay chiều 1 pha không đối xứng, trong sơ đồ này ta sử dụng một diode và
một Thyristor nên khi sơ đồ làm việc trong đường cong điện áp trên tải có thành phần
một chiều, vì vậy sơ đồ này chỉ sử dụng để cung cấp cho loại phụ tải sử dụng được cả
điện áp một chiều và điện áp xoay chiều ví dụ như là dây điện trở của lò điện trở.
Để hiểu
rõ nguyên lý
làm việc của BBĐ ta xét nguyên lý hoạt động của một sơ đồ (ví dụ: sơ đồ hình 3.1a)
trong trường hợp đơn giản nhất là khi tải thuần trở.
Giả thiết điện áp nguồn như đồ thị hình 3.2a, đồ thị tín hiệu điều khiển của T1
và T2 như hình 3.2b và hình 3.2c.
Đồ thị điện áp nguồn ung; điện áp điều khiển các van uđkT1, uđkT2; điện áp và dòng
trên tải ut, it được biểu diễn trên các đồ thị hình 3.1. Điện áp trên phụ tải là điện áp
xoay chiều không hình sin có giá trị hiệu dụng nhỏ hơn điện áp nguồn và giá trị hiệu
dụng điện áp trên tải sẽ càng nhỏ khi góc càng tăng. Sóng hài bậc nhất điện áp tải có
tần số bằng tần số nguồn cung cấp .
Góc trong BBĐ này được gọi là góc điều chỉnh hay điều khiển.
III.2.2 Dòng điện và điện áp trên phụ tải của BBĐ xoay chiều-xoay chiều 1 pha
Zt
Zt
D
3 D
1 T
D
2
T
D
4
T1
it
ung ut Zt T2 a
T1 it
ung ut
T2
D1 D2 b
it
ut Zt ung
c
it
ut ung d
T it
ung ut Zt D e
Hình 3.1
III.2.2.1 Biểu thức dòng tải tổng quát
Để nghiên cứu dòng và áp trên tải ta sửdụng sơ đồ
dùng 2 Thyristor mắc song song ngược như hình 3.3.
Do tính đối xứng của sơ đồ nên ta chỉ cần xét
trong thời gian một nửa chu kỳ và suy ra nửa chu kỳ
kia. Ta giả thiết cho sơ đồ làm việc với một góc điều
chỉnh , chọn mốc thời gian xét t=0 là thời điểm
truyền xung điều khiển đến mở một van của sơ đồ, ví
dụ là mở T1. Lúc đó do T1 mở nên uT1=0 và ta có
phương trình vi phân:
Rt.it + Lt.dit/dt = Um.sin(t+) (3-1)
Để giải phương trình vi phân (3-1) ta đặt:
i*=it/Im=it/(Um/Rt)=Rt.it/Um; =Lt/Rt (3-2)
Trong đó i*: là giá trị tương đối dòng phụ tải; Im là giá trị cực đại dòng tải khi
Lt=0, nó được chọn làm đại lượng cơ bản; là hằng số thời gian mạch tải. Thế (3-2)
vào (3-1) ta được phương trình:
i* + .di
*/dt = sin(t+) (3-3)
Từ nguyên lý sơ bộ của BBĐ đã nêu trong mục trước ta có nhận xét rằng: Nếu
dòng qua tải là liên tục thì hai van trong sơ đồ phải luân phiên thay nhau làm việc, lúc
đó nếu ta bỏ qua sụt áp rất nhỏ trên Thyristor dẫn dòng thì điện áp giữa 2 điểm A và B
trên sơ đồ hình 3.3 luôn luôn bằng không (vì luôn có một trong hai van dẫn dòng), do
vậy điện áp trên tải luôn luôn bằng điện áp nguồn. Muốn có điện áp trên tải khác điện
áp nguồn thì phải cắt đi một phần trong mỗi nửa chu kỳ điện áp nguồn, điều này có
nghĩa là dòng qua tải phải gián đoạn. Như vậy loại trừ trường hợp điện áp ra trùng với
điện áp nguồn thì chế độ làm việc của BBĐ điện áp pha là chế độ dòng gián đoạn, tức
là tại thời điểm bắt đầu mở van thì dòng qua tải đang bằng không. Giải phương trình
(3-3) với điều kiện đầu i*0=i
*|( t=0)=0 ta được:
* 2 /(1/ 1 ( ) ).[sin( ) sin( ). ]ti t arctg arctg e (3-4)
Ta đặt = arctg là góc lệch pha của sóng hài bậc nhất dòng và áp trên tải.
Chuyển về đơn vị tuyệt đối ta có:
2 /[ /( . 1 ( ) )].[sin( ) sin( ). ]t
t m ti U R t e (3-5)
Đây là biểu thức tổng quát dòng qua phụ tải của BBĐ điện áp xoay chiều-xoay
chiều một pha. Sau đây ta sẽ tìm biểu thức dòng tải trong một số trường hợp đặc biệt.
III.2.2.2 Dòng qua tải khi tải thuần trở
Zt
T1
it B A
ung ut T2
Hình 3.3
Khi phụ tải thuần trở hoặc khi Rt>>Lt thì 0 và 0, do vậy biểu thức dòng tải
có dạng đơn giản như sau:
it =(Um/Rt).sin(t+) (3-6)
III.2.2.3 Dòng qua tải khi tải thuần cảm
Trong trường hợp phụ tải thuần cảm
Rt=0 hoặc khi Rt<<Lt, lúc đó ta có
/2 và và do vậy e-t/1. Từ
đó ta tìm được biểu thức dòng tải của
trường hợp này là:
it=(Um/Lt).[sin(t+-/2)-sin(-
/2)]=(Um/Lt).[cos-cos(t+)]
(3-7)
Ta có đồ thị ut và it trong 3 trường
hợp phụ tải là thuần trở (a), điện trở điện
cảm (b) và khi phụ tải thuần cảm (c)
được biểu diễn trên các đồ thị hình 3.4.
Nếu gọi khoảng thời gian dẫn dòng của
một van trong một chu kỳ điện áp nguồn
qui ra góc độ điện là góc dẫn của van và
ký hiệu là thì được biểu diễn như
trên đồ thị. Khi tải thuần trở =-, khi
tải thuần cảm thì =2(-), còn trường
hợp tải điện trở-điện cảm (Rt-Lt) thì góc
nằm trong khoảng giới hạn bởi hai trường hợp đặc biệt trên.
**Nhận xét:
Khi phụ tải của BBĐ có tính chất điện trở-điện cảm (Rt-Lt) thì tại thời điểm bằng
không và bắt đầu đổi dấu của điện áp nguồn ung thì van làm việc ở giai đoạn trước
chưa khoá lại mà vẫn tiếp tục dẫn dòng nhờ s.đ.đ. tự cảm trong điện cảm phụ tải Lt, do
vậy mà góc dẫn của van trong trường hợp này lớn hơn khi tải thuần trở nếu cùng làm
việc với một góc điều khiển như nhau. Nếu ta ký hiệu khoảng thời gian kéo dài sự
dẫn dòng của van do s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong Lt qui ra góc độ điện là, thì góc được
xác định như trên đồ thị. Do đặc điểm này mà khi đặc tính tải của BBĐ thay đổi thì giá
trị hiệu dụng của điện áp ra cũng thay đổi theo mặc dù ta vẫn giữ nguyên giá trị góc
điều khiển .
Góc sẽ tăng dần khi giảm góc điều khiển và khi thì đạt giá trị cực
đại và bằng . Khi = thì góc dẫn của van =max=, có nghĩa rằng mỗi van sẽ dẫn
dòng một nửa chu kỳ trong một chu kỳ điện áp nguồn và như đã nêu thì trong trường
hợp này điện áp ra trên tải luôn luôn bằng điện áp nguồn. Nếu độ dài của xung điều
khiển đủ lớn () thì khi phát tín hiệu điều khiển mở van với các góc điều khiển nằm
trong khoảng: 0 thì góc dẫn của mỗi van vẫn là: = max= . Điện áp và dòng
1 2
ut(nÐt ®Ëm) it(nÐt
m¶nh) ut it
ut it
ut it
t
2 >0
a
1'
1
2
2'
t
2
>
b
1'
1 2' 2 t
2 >/2
c
Hình 3.4
điện trên tải có dạng hình sin, các van của BBĐ lúc này đóng vai trò như một công tắc
không tiếp điểm mà không còn tác dụng điều chỉnh điện áp trên tải. Vậy với BBĐ này
thì khi 0 ta không điều chỉnh được điện áp ra trên tải. Để điều khiển được điện
áp trên tải thì góc điều khiển của BBĐ phải thoả mãn điều kiện: 1800
> > .
III.2.2.4 Điện áp trên phụ tải BBĐ xoay chiều-xoay chiều
Giá trị tức thời của điện áp trên tải được xác định như sau: khi có một van nào
đó trong hai van dẫn dòng thì ut=ung, khi cả hai van đều khoá thì ut=0. Vậy
trong thời gian một chu kỳ nguồn cung cấp (bắt đầu tính từ lúc mở T1) ta có:
-Từ t=0t=: T1 mở nên ut=ung.
-Từ t=t=: T1 và T2 đều khoá nên ut=0.
-Từ t=t=+: T2 mở nên ut=ung.
-Từ t=+t=2: T1 và T2 đều khoá nên ut=0.
Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải, ký hiệu là Ut, được xác định theo biểu
thức:
2 2
0
(1/ ) sin ( ) ( )t mU U t d t
(3-8)
Trong đó:
Um là biên độ điện áp nguồn cung cấp cho
BBĐ. Tuỳ thuộc vào đặc tính cũng như giá trị phụ tải
và giá trị ta sẽ xác định được giá trị góc và thay
vào (2-8) ta sẽ tìm được giá trị hiệu dụng điện áp trên
tải. Giá trị tương đối Ut*=Ut/Ung theo góc điều khiển
biểu diễn bằng đồ thị hình 3.5.
Đường 1 là khi tải thuần trở; đường 2 là khi tải
điện trở-điện cảm có giá trị Lt và Rt sao cho
arctg(Lt/Rt) = , còn đường 3 là trường hợp tải thuần
cảm.
III.2.3 Tính chọn van cho BBĐ xoay chiều-xoay chiều
Việc chọn và kiểm tra các Thyristor cho BBĐ xoay chiều-xoay chiều cũng tương tự
như đối với BBĐ xoay chiều-một chiều (chỉnh lưu) đã nghiên cứu trong chương trước.
Đối với các van trong BBĐ này ta có:
Giá trị trung bình dòng qua van:
0
(1/ 2 ) ( ) ( )Ttb tI i t d t
(2-9)
Giá trị hiệu dụng dòng qua van
0
(1/ 2 ) ( ) ( )T tI i t d t
(3-10)
Ut*
1,00
0,75
0,50
0,25
0 /4 /2 3/4
0,00
1 2
3
Hình 3.5
Hình 3.6
T1
it
B C1 R
1 A
ung ut Zt T2 C2
R2
Khi tính chọn van ta phải lấy giá trị dòng qua van ở chế độ nặng nề nhất, tức
tương ứng khi góc dẫn của van là cực đại ( = max = ), lúc đó giá trị trung bình và
hiệu dụng cực đại của dòng các van là:
ITtbmax=( 2 /).Imax; ITmax=Imax/ 2
Trong đó: Imax là giá trị hiệu dụng cực đại của dòng tải khi quá tải cho phép với
giả thiết Ut*=1 và với một tải cụ thể đã cho.
Điện áp ngược lớn nhất trên van bằng biên độ điện áp nguồn xoay chiều :
UTthmax = UTngmax=Um= 2 .Ung .
Các điều kiện chọn và kiểm tra cũng tương tự như đã nêu trong chương một.
III.2.4 Bảo vệ BBĐ xoay chiều-xoay chiều
Các BBĐ xoay chiều-xoay chiều khi làm việc
cũng có thể xẩy ra quá dòng và áp như các BBĐ
xoay chiều-một chiều, vì vậy ta cũng phải trang bị
các bảo vệ như đối với BBĐ xoay chiều-một chiều
đã xét. Trong BBĐ này để bảo vệ quá áp cho 2 van
mắc song song ngược ta dùng một mạch R-C mắc
song song với chúng (hình 3.6), ngoài ra trong một
số trường hợp có thể dùng thêm mạch R-C mắc
song song với nguồn cung cấp.
III.3. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha
Các BBĐ điện áp xoay chiều-xoay chiều 3 pha tuỳ thuộc vào phụ tải và dụng cụ sử
dụng mà có một số dạng khác nhau như trên các sơ đồ hình 3.7. Sơ đồ hình 3.7a và
hình 3.7b là sơ đồ dùng 3 cặp Thyristor mắc song song ngược có dây trung tính và
không có dây trung tính (cũng có thể nối phụ tải dạng tam giác). Hình 3.7c và d là các
sơ đồ dùng triac có và không có dây trung tính. Hình3.7e,g là một số sơ đồ BBĐ
không đối xứng, các sơ đồ này chỉ dùng để điều chỉnh điện áp cung cấp cho các phụ
tải vừa có thể dụng nguồn xoay chiều đồng thời cũng có sử dụng nguồn cung cấp một
chiều (ví dụ tải điện trở).
Nguyên lý hoạt
động của sơ đồ BBĐ 3
pha xoay chiều-xoay
chiều có dây trung tính
hoàn toàn giống như
nguyên lý hoạt động của
3 BBĐ xoay chiều-xoay
chiều một pha làm việc
độc lập với phụ tải từng
pha. Còn nguyên lý hoạt
động của sơ đồ không có
trung tính hoặc trường
hợp phụ tải nối dạng tam
giác thì có phức tạp hơn.
Trong giới hạn chương
trình ta không xét chi tiết
hoạt động của các sơ đồ
này. Nguyên lý hoạt động
các sơ đồ trên có thể xem
trong các tài liệu tham
khảo.
III.4. Mạch tạo xung
điều khiển
Khái niệm chung:
Cũng như BBĐ xoay chiều-một chiều, trong BBĐ xoay chiều-xoay chiều ta cũng sử
dụng các van bán dẫn có điều khiển. Vì vậy để cho BBĐ có thể làm việc theo yêu cầu
thì cũng phải sử dụng mạch phát tín hiệu điều khiển cho các van. Dù là sơ đồ dùng 2
Thyristor mắc song song ngược hay sơ đồ dùng triac thì trong một chu kỳ nguồn ta
cũng phải tạo ra hai tín hiệu điều khiển lệch nhau một góc độ điện là 1800 tương tự
như tín hiệu điều khiển các van trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha. Do vậy về lý
thuyết thì có thể sử dụng tất cả các mạch phát xung điều cho bộ chỉnh lưu hình tia 2
pha để phát xung điều khiển cho BBĐ xoay chiều-xoay chiều một pha,và mạch điều
khiển cho sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có thể dùng để phát xung điều khiển cho BBĐ
xoay chiều-xoay chiều 3 pha.Tuy nhiên cũng cần lưu ý một đặc tính quan trọng là:
Đối với sơ đồ chỉnh lưu thì sự đối xứng của xung điều khiển các van cũng quan
trọng nhưng không yêu cầu khắt khe lắm. Nhưng đối với BBĐ xoay chiều-xoay chiều
thì xung điều khiển các van, đặc biệt là của hai van song song ngược trong cùng một
pha nhất là khi phụ tải của BBĐ là thiết bị chỉ làm việc được với nguồn cung cấp xoay
chiều, ví dụ như các động cơ điện xoay chiều hoặc các máy biến áp,..., đòi hỏi có độ
e
T4 (S1)
D1
O C B A
T1
ZC ZB ZA
(S2)
T
2 (S3)
D3 D2 T3
(S1) T2
C B A
T1
ZC ZB ZA
(S3)
T3
g
b C1
B1
A1
C1 B1 A1
ZA
ZB
ZC
O C B A
T3 T2 T1
ZC ZB ZA c
C B A
T
3 T2 T1
ZC ZB ZA d
a
(S1) T2
O C B A
T1
ZC ZB ZA
( S2) T3 ( S3) T6 T4 T5
(S1) T2
C B A
T1
ZC ZB ZA
( S2) T3 ( S3) T6 T4 T5
Hình 3.7
Hình 3.8
R2
uR2 D2 it
T1 WR D1 D3 ut Zt T2
ung
u®kT2
u®kT1 uR1
D4 R1
đối xứng rất cao. Đó là vì khi góc điều khiển của 2 van trong cùng một pha không
hoàn toàn giống nhau thì trong đường cong điện áp trên tải sẽ xuất hiện thành phần
một chiều. Mặt khác tổng trở phụ tải đối với thành phần điện áp một chiều là rất nhỏ
do vậy thành phần dòng một chiều qua tải sẽ rất lớn. Điều đó ảnh hưởng đến sự làm
việc của phụ tải và BBĐ, tăng tổn thất phụ và khi sự không đối xứng của tín hiệu điều
khiển vượt quá một giá trị nhất định nào đó (phụ thuộc trường hợp cụ thể) thì BBĐ sẽ
không làm việc được nữa.
Như vậy ta có thể ứng dụng các sơ đồ hệ thống điều khiển BBĐxoay chiều-một
chiều để phát xung điều khiển cho BBĐ xoay chiều-xoay chiều, chỉ cần lưu ý đến vấn
đề đối xứng của xung điều khiển các van, do vậy ở đây ta sẽ không xét các mạch điều
khiển loại đó nữa. Trong một số trường hợp khi không đòi hỏi chất lượng cao của tín
hiệu điều khiển và phạm vi điều khiển không yêu cầu rộng thì ta có thể sử dụng các
mạch điều khiển đơn giản để giảm giá thành và kích thước BBĐ.
III.4.1 Các mạch điều khiển đơn giản
III.4.1.1 Mạch điều khiển dùng diode-biến trở (D-R).
Ta xét một sơ đồ bộ biến đổi điện áp pha một pha có mạch điều khiển dùng diode-biến
trở như hình 3.8. Trong sơ đồ này thì
T1,T2 là 2 Thyristor động lực, mạch
điều khiển các van của BBĐ gồm các
diode D1, D2, D3.
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ
Từ đặc tính V-A của Thyristor ta thấy
rằng: Khi giữa anôt và katôt của
Thyristor đang được đặt một điện áp
thuận nào đó, nếu ta đặt vào điện cực
điều khiển và katôt của nó một điện áp
điều khiển có giá trị từ một trị số nhất định nào đó trở lên thì Thyristor sẽ chuyển từ
khoá sang mở. Giá trị điện áp điều khiển nhỏ nhất có thể làm mở Thyristor khi có một
trị số điện áp thuận được gọi là điện áp điều khiển yêu cầu đối với trị số điện áp thuận
đó và ta ký hiệu là uđkTyc. Vậy khi trên van có một điện áp thuận nào đó thì nếu có điện
áp điều khiển uđk uđkTyc đối trị số điện áp thuận đó thì van sẽ mở, còn nếu có điện áp
điều khiển nhưng uđk< uđkTyc thì van không mở. Điện áp thuận trên van thay đổi thì giá
trị uđkTyc cũng thay đổi theo: Điện áp thuận trên van tăng thì giá trị điện áp điều khiển
yêu cầu giảm,nếu điện áp thuận trên van có dạng nửa hình sin thì đồ thị uđkTyc có dạng
như trên hình 3.9a. Để đơn giản cho việc xét nguyên lý làm việc của sơ đồ ta tạm giả
thiết là điện áp điều khiển yêu cầu không phụ thuộc vào trị số điện áp thuận trên van
(như hình3.9b). Giả thiết như vậy tuy không phù hợp với thực tế nhưng không ảnh
hưởng đến nguyên lý làm việc của sơ đồ nên có thể chấp nhận được trong trường hợp
này. Ta chọn mốc xét t=0 là thời điểm ung=0 và bắt đầu chuyển sang dương, giả thiết
tải thuần trở. Vậy tại t=0 thì dòng tải cũng bằng không, lúc đó van T2 vừa khoá và T1
bắt đầu có điện áp thuận, nếu T1 chưa mở thì qua D2-WR-R1-Rt (đã giả thiết Zt=Rt) sẽ
có một dòng điện do nguồn cung cấp tạo nên và dòng điện này gây nên trên R1 một sụt
điện áp mà điện áp này sẽ được đưa
qua D1 đến điện cực điều khiển của
T1. Vậy nếu bỏ qua sụt áp trên D1
mở thì ta có uđkT1=uR1. Ta có:
Từ đồ thị ta thấy khi > t
0: uđkT1 < uđkTyc và T1 chưa mở, tại
t= thì uđkT1= uđkTyc, van T1 bắt
đầu mở và sẽ dẫn dòng cho đến
t=. Tại t= thì ung=0 và bắt đầu
đổi dấu nênT1 khoá lại ,van T2 bắt
đầu được đặt điện áp thuận,nếu T2
chưa mở thì lúc này qua tải (Rt)-D4-
WR-R2 sẽ có dòng điện do nguồn
cung cấp tạo nên. Sụt điện áp trên
R2 bởi dòng điện này sẽ được
truyền qua D3 đến điện cực điều
khiển T2 và nếu bỏ qua điện áp trên
D3 mở thì :
uđkT1=uR1=ung.R1/(R1+WR+R
t) ung.R1/(R1+WR) vì
Rt<<WR và Rt<<R1.
uđkT2=uR2 =-
ung.R2/(R2+WR+Rt) -
ung.R2/(R2+WR) vì Rt<<WR và
ut<<R2.
Mặt khác do R1=R2 nên
uđkT2 -ung.R1/(R1+WR).
Vì vậy mà trong khoảng +>t thì uđkT2< uđkTyc nên T2 vẫn chưa mở,cho
đến t=+ thì uđkT2= uđkTyc và T2 bắt đầu mở và dẫn dòng cho đến t=2. Trong các
chu kỳ tiếp theo sơ đồ làm việc tương tự. Cả 2 van trong sơ đồ đều mở với một giá trị
góc điều khiển là như nhau. Từ nguyên lý hoạt động đã nêu kết hợp với đồ thị hình
3.9 ta thấy rằng có thể thay đổi góc điều khiển bằng cách thay đổi biên độ của điện
áp tính theo biểu thức: ung.R1/(R1+WR). Để thực hiện người ta thường thay đổi giá trị
biến trở WR. Với mạch điều khiển này thì góc điều khiển tối đa max=/2. Như vậy
mạch điều khiển nay không dùng được cho trường hợp BBĐ làm việc với phụ tải
thuần cảm (ngay cả những trường hợp điện cảm lớn thì cũng không nên sử dụng vì lúc
đó phạm vi thay đổi của góc điều khiển rất hẹp.
u
u®kTyc
t
a
u®kTyc
u
t
b
t
ut(nÐt ®Ëm)
ung (®êng h×nh sin ®ñ) u
2
2
1
1
t
u®kTyc u®kT1
t
u®kTyc u®kT2
c
d
e
Hình 3.9
Hình 3.10
C2
uc2 D2 it
T1 WR D1 D3 ut Zt T2
ung
u®kT2
u®kT1 uc1
D4 C1
t
u®kTyc u®kT
1
t
u®kTyc u®kT2
b
c
t
ut (nÐt
®Ëm) ung
u
2
2
3 1 a
III.4.1.2 Mạch điều khiển D-R-C
Trong sơ đồ này người ta thay vào vị
trí 2 điện trở R1 và R2 của sơ đồ trước
bằng hai tụ C1,C2. Nguyên lý làm việc
của sơ đồ được minh hoạ trên đồ thị
hình 3.11. Từ đồ thị ta thấy rằng nhờ
sử dụng các tụ mà góc điều khiển cực
đại có thể đạt giá trị tương đối lớn.
III.4.1.3 Mạch điều khiển biến trở-diode cho BBĐ 3 pha không đối xứng
(sơ đồ 3 diode, 3 Thyristor)
Nguyên lý hoạt động của mạch điều
khiển trên hình 3.12 (phần nét mảnh)
cũng gần tương tự với mạch điều khiển
biến trở-diode của BBĐ một pha đã xét.
Chỉ khác là BBĐ trong sơ đồ này chỉ có
3 Thyristor nên kết cấu mạch gọn hơn.
Chú ý là sơ đồ BBĐ này chỉ dùng cho
phụ tải dạng điện trở thuần, không được
dùng để cung cấp cho động cơ hoặc máy biến áp.
O
(S1) T1
R C B A
D1
DG3 DG2 DG1
ZC ZB ZA
(S2) D2 (S3) T3 T2 D3
Hình 3.12
CHƯƠNG IV
BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ĐIỆN ÁP
(Bộ biến đổi điện áp một chiều thành một chiều)
IV.1 Nguyên lý biến đổi và các phương phương pháp biến đổi điện áp
trung bình của bộ biến đổi đặt lên tải
Trong kỹ thuật điện cũng có nhiều trường hợp phải thực hiện quá trình biến đổi một
điện áp một chiều không đổi thành một điện áp một chiều khác có giá trị điều chỉnh
được trong phạm vi rộng. Để thực hiện quá trình biến đổi này người ta đã từng sử
dụng nhiều phương pháp khác nhau. Phương pháp biến đổi cho hiệu suất cao, dùng
được trong giải công suất từ nhỏ đến lớn và thực hiện điều chỉnh điện áp ra một cách
thuận tiện nhất là sử dụng các BBĐ điện áp một chiều thành điện áp một chiều, thường
gọi tắt là BBĐ một chiều-một chiều và cũng còn được gọi là xung điện áp hoặc trong
một số tài liệu khác người ta gọi là bộ băm điện áp. BBĐ một chiều-một chiều là thiết
bị biến đổi điện năng ứng dụng các dụng cụ bán dẫn có điều khiển. Nguyên tắc hoạt
động của BBĐ được minh hoạ bằng sơ đồ nguyên tắc hình 4.1.
Trong sơ đồ này khoá đóng cắt K đặc trưng cho BBĐ một chiều-một chiều; phụ
tải gồm các phần tử: s.đ.đ phụ tải Et (còn được gọi là sức phản điện động), điện trở tải
Rt và điện cảm phụ tải Lt (thường gồm tự cảm của tải, ví dụ như điện cảm cuộn dây
phần ứng động cơ một chiều, và điện cảm của cuộn kháng đưa thêm vào mạch để san
bằng dòng tải); diode ngược D0 (còn gọi là diode không). Điện áp Ud là điện áp một
chiều thường có giá trị không đổi dùng để cung cấp cho BBĐ. Dòng qua khoá đóng
cắt K đồng thời là dòng nguồn ký hiệu là id. Dòng qua điốt ngược ký hiệu là iDo. dòng
và áp trên tải ký hiệu là it và ut. Điện áp trên D0 là uDo = -ut giống như diode không
trong sơ đồ chỉnh lưu.
Nguyên tắc hoạt động của BBĐ như sau: Người ta điều khiển đóng-cắt khoá K
theo một chu kỳ nào đó. Ví dụ trong khoảng từ t=0 đến t=t1 thì đóng K, trên tải sẽ
được đặt điện áp bằng Ud và có dòng từ nguồn qua khoá K kín và qua tải. Phương
trình vi phân để xác định dòng qua tải trong giai đoạn này là:
Rt.it+Lt.dit/dt+Et=Ud (4-
1)
t
K + ut it
ut(nÐt liÒn) it(nÐt ®øt)
id it
Tck tc
Tck
t®
ut
0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
iDo
D0
Rt
Lt
Ud
Ud
Et
- a
b
Hình 4.1
Dòng qua tải sẽ tăng từ giá trị Imin đến bằng Imax tại t=t1. Trên D0 có điện áp
ngược và D0 không làm việc. Tại thời điểm t=t1 người ta thực hiện cắt khoá K, điện áp
nguồn một chiều Ud được tách khỏi mạch tải, s.đ.đ. tự cảm xuất hiện trong điện cảm
phụ tải Lt sẽ làm mở van D0 và dòng tải sẽ được duy trì qua D0. Phụ thuộc vào chế độ
làm việc cũng như thông số các phần tử phụ tải mà có thể xẩy ra 2 chế độ làm việc
tương tự như với sơ đồ chỉnh lưu. Nếu giá trị Lt đủ lớn, giá trị dòng tải không quá nhỏ
thì năng lượng tích luỹ trong Lt ở giai đoạn K đóng đủ để duy trì dòng tải đến thời
điểm đóng lại khoá K (t=t2), ta có chế độ dòng điện tải liên tục (dạng dòng tải trường
hợp này biểu diễn trên đồ thị hình 4.1b), và dòng tải giai đoạn này sẽ giảm dần từ Imax
xuống bằng Imin tại t=t2. Trường hợp do Lt quá nhỏ, hoặc do dòng tải quá nhỏ (tải nhỏ
hoặc không tải) thì năng lượng tích luỹ trong Lt không đủ để duy trì dòng tải đến thời
điểm đóng lại khoá K, ta có chế độ dòng điện tải gián đoạn, khi sơ đồ làm việc ở chế
độ dòng tải gián đoạn thì dòng tải khi cắt K sẽ giảm dần đến bằng không tại một thời
điểm t1' nào đó (t1'<t2). Trong giai đoạn t=t1t=t1' thì D0 dẫn dòng, bỏ qua sụt áp trên
diode mở ta có ut = -uDo= 0. Từ t=t1' đến t=t2 thì dòng tải bằng không, van D0 khoá,
điện áp trên tải giai đoạn này là: ut=Et. Phương trình vi phân để tìm dòng tải khi van
D0 dẫn dòng là:
Rt.it+Lt.dit/dt+Et=0 (4-2)
Thông thường đối với bộ biến đổi này thì người ta phải tính toán sao cho khi
BBĐ làm việc bình thường (dòng tải từ 0,2 dòng tải định mức trở lên) thì BBĐ làm
việc ở chế độ dòng liên tục. Do vậy ta chủ yếu nghiên cứu sự làm việc của BBĐ ở chế
độ dòng tải liên tục.
Tại t=t2 người ta lại đóng khoá K nên trên tải lại được đặt điện áp bằng Ud và lại
có dòng từ nguồn Ud đi vào tải, dòng tải lại tăng, van D0 lại bị đặt điện áp ngược và
khoá lại. Các chu kỳ tiếp theo sự hoạt động của sơ đồ tương tự như đã xét.
Từ đồ thị điện áp trên tải ở chế độ dòng điện tải liên tục ta có giá trị trung bình
của điện áp trên tải được xác định bằng biểu thức:
0
(1/ )dt
d dtb ck t
ck
U tU T u dt
T (4-3)
Trong đó : tđ là thời gian một lần đóng khoá K, tc là thời gian một lần cắt của
khoá K, Tck là thời gian một chu kỳ đóng cắt của khoá K. Nếu ta đặt = tđ/Tck được
gọi là độ rộng xung; f=1/Tck là tần số xung thì biểu thức điện áp trung bình trên tải có
thể viết:
Utb = .Ud = Ud.tđ.f (4-3a)
Xuất phát từ các biểu thức (4-3) và (4-3a) ta thấy rằng có thể điều chỉnh giá trị
trung bình điện áp trên tải bằng một số phương pháp sau:
Giữ nguyên thời gian một chu kỳ đóng cắt Tck=tđ+tc và thay đổi thời gian đóng
tđ, tức là thay đổi độ rộng xung : Được gọi là phương pháp điều chỉnh xung
rộng.
Giữ nguyên thời gian đóng tđ, thay đổi thời gian chu kỳ Tck, tức là thay đổi tần
số đóng cắt f: Được gọi là phương pháp điều chỉnh xung tần.
Thay đổi cả thời đóng tđ và tần số đóng cắt f: Được gọi là phương pháp điều
chỉnh xung rộng-tần.
Để thực hiện chức năng khoá đóng cắt K ta có thể sử dụng các dụng cụ bán dẫn
có điều khiển, các dụng cụ được sử dụng chủ yếu là Transitor và Thyristor.
Các khoá bằng Transitor có kết cấu gọn hơn do đặc tính làm việc của Transitor
là: mở khi có tín hiệu điều khiển đủ yêu cầu và khoá khi mất tín hiệu điều khiển hoặc
có một tín hiệu ngược chiều nhỏ ở cực gốc (được xem như là cực điều khiển). Các
khoá loại này có ưu điểm là dễ khống chế nhưng cũng có nhược điểm là công suất còn
bị hạn chế.
Các khoá đóng cắt bằng Thyristor có nhược điểm là kết cấu phức tạp hơn do
chỗ Thyristor mở khi có tín hiệu điều khiển nhưng lại không khoá được bằng tín hiệu
điều khiển ngược chiều (hiện nay cũng có một số Thyristor khoá được bằng tín hiệu
điều khiển ngược chiều nhưng thường là công suất nhỏ và chưa thông dụng) mà nguồn
cung cấp cho BBĐ là nguồn một chiều. Vì vậy, đối với khoá đóng cắt bằng Thyristor
thì cần phải có thêm một số thiết bị phụ để chuyển mạch Thyristor mà ta thường gọi là
thiết bị chuyển mạch hay chuyển đổi.
IV.1.1 Dòng và áp trên phụ tải của Bộ biến đổi một chiều-mộtchiều
IV.1.1.1 Biểu thức dòng tải tổng quát dòng tải trong chế độ xác lập
a/- Giai đoạn khoá K đóng
Từ phương trình (4-1) chuyển sang dạng toán tử Laplace ta có:
p.Iđ(p) - iđ(0) + a.Iđ(p) = (Ud -Et)/p (4-4)
Trong đó: a=Rt/Lt; p là toán tử Laplace; Iđ(p) là ảnh Laplace của dòng tải trong giai
đoạn K đóng itđ; iđ(0) là giá trị dòng tải tại thời điểm đầu của mỗi lần đóng khoá K
(chọn mốc t=0 tại thời điểm đóng K), khi BBĐ làm việc ở chế độ xác lập thì giá trị tại
thời điểm đầu của khoảng K đóng bằng giá trị dòng tải tại thời điểm cuối của khoảng
K cắt và ta ký hiệu là Imin, tức là: iđ(0) = Imin .
Giải (4-4) ta được :
Iđ(p)=(Ud-Et)/[pLt(p+a)]+Imin/(p+a) =a(Ud-Et)/[pRt(p+a)]+Imin/(p+a)
Chuyển sang hàm gốc ta tìm được biểu thức dòng tải giai đoạn khoá K đóng là:
itđ=[(Ud-Et)/Rt].(1-e-at
) + Imine-at
(4-5)
b/- Giai đoạn khoá K cắt
Trong giai đoạn K cắt thì D0 dẫn dòng, ta có phương trình để xác định dòng tải là
phương trình (4-2). Chuyển phương trình (4-2) sang dạng toán tử Laplace với mốc thời
gian xét t=0 là thời điểm bắt đầu cắt khoá K:
p.Ic(p) - ic(0) + a.Ic(p) = -Et/p (4-6)
Trong đó: a=Rt/Lt; p là toán tử Laplace; Ic(p) là ảnh Laplace của dòng tải trong
giai đoạn K cắt itc; ic(0) là giá trị dòng tải tại thời điểm đầu của mỗi lần cắt khoá K, khi
BBĐ làm việc ở chế độ xác lập thì giá trị tại thời điểm đầu của khoảng K cắt bằng giá
trị dòng tải tại thời điểm cuối của khoảng K đóng và ta ký hiệu là Imax: ic(0)=Imax.
Giải (4-6) ta được :
Ic(p)= -Et/[pLt(p+a)]+Imax/(p+a) =-a.Et/[pRt(p+a)]+Imax/(p+a)
Chuyển sang hàm gốc ta tìm được biểu thức dòng tải giai đoạn khoá K cắt là:
itc=-( Et/Rt).(1-e-at
) + Imaxe-at
(4-7)
IV.1.2 Biểu thức dòng tải toàn chu kỳ đóng cắt
Các biểu thức (4-5) và (4-7) là biểu thức dòng tải trong 2 giai đoạn của một chu kỳ
đóng cắt khoá K, trong các biểu thức này còn có Imin và Imax là các giá trị chưa biết.
Vậy để có thể tìm được giá trị dòng tải ta xác định các giá trị Imin và Imax .
Như đã nêu, trong chế độ xác lập, nếu dòng tải là liên tục thì ta có: Imin bằng giá
trị dòng tải tại thời điểm cuối khoảng cắt của K, tức là khi cho t=tc đối với biểu thức
(4-7); còn Imax là giá trị dòng tải cuối khoảng đóng của K, tương ứng là giá trị biểu
thức (4-5) khi cho t=tđ. Vậy ta có:
Imax =[(Ud-Et)/Rt].(1-e-atđ
) + Imin e-atđ
(4-8a)
Imin = -(Et/Rt).(1-e-atc
) + Imax e-atc
(4-8b)
Ta đặt:
A=[(Ud-Et)/Rt].(1-e-atđ
);B=-(Et/Rt).(1-e-atc
) ;C = e-atđ
;D = e-atc
(4-9)
Từ (4-8a),(4-8b) và (4-9) ta có:
Imax -C.Imin =A (4-10a)
Imin -D.Imax =B (4-10b)
Giải (3-10) ta tìm được:
Imax=A+C(AD+B)/(1-DC); Imin = (AD+B)/(1-DC) (4-
11)
Vậy tập hợp các biểu thức (4-5), (4-7) và (4-11) ta có biểu thức tổng quát dòng
tải trong một chu kỳ đóng cắt khoá K:
itđ = [(Ud-Et)/Rt].(1-e-at
) + Imine-at
itc = -( Et/Rt).(1-e-at
) + Imaxe-at
Imax=A+C(AD+B)/(1-DC)
Imin = (AD+B)/(1-DC)
**Trường hợp dòng tải gián đoạn ta có Imin=0,vậy nên:
itđ = [(Ud-Et)/Rt].(1-e-at
) (4-12)
Imax=[(Ud-Et)/Rt].(1-e-atđ
)
và do vậy: itc=-(Et/Rt).(1-e-at
)+[(Ud-Et)/Rt].(1-e-atđ
).e-at
(4-13)
Các biểu thức (4-12),(4-13) là biểu thức dòng tải ở chế độ dòng điện tải gián
đoạn. Nếu gọi thời gian van D0 dẫn dòng trong một chu kỳ đóng cắt khoá K là t0 thì t0
có thể tìm bằng cách thay t=t0 vào biểu thức (4-13) cho vế trái biểu thức bằng không
(t0<tc).
T1
T2
+
Ud
-
iT1 it
ic iDo C
Rt iT2
D0 Lt
L
ut
D Et
a
Rt
Lt
Et
+
-
T1
T2
Ud
iT1
it
ic iDo C
iT2
D0
L1
ut
D2
b
L2 D2
H×nh 4.2
T1
T2
+
Ud
-
iT1 it
iDo Rt
iT2
D0
Lt ut
Et
L
D
c
ic C
Lt
Et
Rt
T1
T2
+
Ud
-
iT1 it
iDo
D0
ut
ic C
d
T3
T4 T5
IV.1.3 Điện áp trên tải
IV.1.3.1Chế độ dòng tải liên tục
Như đã nêu khi dòng tải liên tục thì điện áp tức thời trên tải sẽ là:
ut=Ud khi K đóng và ut=0 khi K cắt vì khi đó D0 làm việc.
Điện áp trung bình (thành phần một chiều) trên phụ tải :
Utb = .Ud = Ud.tđ.f
IV.1.3.2 Chế độ dòng tải gián đoạn
Trong trường hợp dòng tải gián đoạn thì giai đoạn khoá K đóng điện áp tải vẫn không
có gì thay đổi so với chế độ dòng tải liên tục, tức là khi K đóng thì ut=Ud. Giai đoạn
khoá K cắt được phân làm hai gian đoạn nhỏ: từ lúc bắt đầu cắt K cho đến khi dòng tải
vừa giảm xuống bằng không (t=0t=t0) lúc này van D0 làm việc, ta có: ut=0; giai đoạn
nhỏ tiếp theo là từ lúc D0 khoá (t=t0) cho đến thời điểm đóng lại khoá K ở chu kỳ đóng
cắt tiếp theo (trong khoảng t=t0t=tc): ut=Et.
Vậy ta có thể xác định biểu thức tính điện áp trung bình trên tải trong chế độ
dòng điện tải gián đoạn như sau:
0
0
0 0 0
1 1 1. . . ( ).
ck d cT t t t
tb t d t d d c t
ck ck ck
U u dt U dt E dt t U t t ET T T
IV.2.
Một số sơ đồ của bộ biến đổi bằng Thyristor
IV.2.1 Một số sơ đồ mạch động lực
Trên hình 4.2 là các sơ đồ BBĐ một chiều-một chiều sử dụng khoá đóng cắt bằng các
Thyristor. Trong tất cả các sơ đồ thì: T1 là Thyristor chính, nó đóng vai trò khoá đóng
cắt K: khi T1 mở tương đương với khoá K kín mạch (K đóng), còn khi T1 khoá tương
Hình 4.3
T1
T2
+
Ud
-
uT1
iT1 it
iC uC
iL
iDo C Rt iT2
D0 Lt
L
ut
D Et
đương với khoá K hở mạch (K cắt): phụ tải của BBĐ gồm Et,Rt,Lt; D0 là diode ngược;
các phần tử còn lại trong các sơ đồ là các phần tử chuyển mạch (chuyển đổi), nó được
sử dụng để khoá van T1 tại những thời điểm cần thiết. Các phần tử chuyển mạch của
sơ đồ 1 (hình 4.2a) và sơ đồ 3 (hình 4.2c) là tụ điện C, điện cảm L, diode D và
Thyristor phụ T2. Các phần tử chuyển mạch của sơ đồ 2 (hình 4.2b) gồm tụ điện C, các
điện cảm L1, L2, các diode D1, D2 và Thyristor phụ T2. Các phần tử chuyển mạch của
sơ đồ 4 (hình 4.2d) gồm tụ điện C và các Thyristor phụ T2, T3, T4, T5 .
IV.2.1.1 Nguyên lý làm việc của BBĐ một chiều-một chiều sử dụng
khoá đóng cắt bằng Thyristor
IV.2.1.2 Nguyên lý làm việc sơ đồ 1
Ta biểu diễn lại sơ đồ 1 trên hình 4.3,
trong sơ đồ ta ký hiệu dòng và áp trên
một số phần tử của sơ đồ: uC ,iC là
điện áp và dòng điện trên tụ điện
chuyển mạch C; uT1, iT1 là điện áp và
dòng điện mạch anôt-katôt Thyristor
chính T1; ut, it, iDo là điện áp trên tải,
dòng qua tải và diode ngược D0 .
Muốn cho sơ đồ khởi động và
làm việc bình thường thì điều bắt buộc
trước tiên là phải nạp điện đủ cho tụ C trước khi khởi động. Giá trị điện áp nạp tụ đủ là
Ud, còn cực tính điện áp nạp ban đầu cho tụ có thể bất kỳ. Để nạp điện cho tụ C ta có
thể sử dụng ngay điện áp Ud cung cấp cho BBĐ hoặc có thể sử dụng một nguồn điện
khác bất kỳ có giá trị phù hợp, thường thì ta sử dụng ngay điện áp Ud để nạp tụ.
Việc nạp điện cho tụ C bằng nguồn Ud thường được thiết kế một cách tự động
như sau:
Khi thiết kế lắp đặt BBĐ người ta nối thẳng mạch điện cực điều khiển của T2
đến đầu ra mạch phát xung mở cho T2. Điện cực điều khiển của T1 thì nối đến đầu ra
mạch phát xung mở cho T1 qua tiếp điểm thường mở của rơ le khởi động BBĐ. Khi
đóng nguồn cung cấp cho mạch động lực thì đồng thời mạch phát xung điều khiển
cũng sẽ được cấp nguồn và làm việc. Nếu ta giả thiết điện áp trên tụ đang bằng không,
tại một thời điểm nào đó (ví dụ là tại t=0) ta đóng nguồn cung cấp cho BBĐ để chuẩn
bị làm việc thì tại thời điểm đó mạch điều khiển của BBĐ (trong phần này ta chưa
nghiên cứu đến phần mạch điều khiển và ta tạm giả thiết là mạch điều khiển BBĐ làm
việc bình thường đúng theo yêu cầu đặt ra) cũng được cấp nguồn và làm việc, do vậy
tại một thời điểm nào đó lân cận ngay sau t=0 trên T2 sẽ xuất hiện tín hiệu điều khiển
thứ nhất của nó. Lúc này điện áp trên T2 đang thuận vì uC = 0 nên khi có tín hiệu điều
khiển T2 sẽ mở và xuất hiện dòng nạp cho tụ theo đường (+Ud) - C -T2 - phụ tải - (-Ud)
và điện áp tụ sẽ tăng dần lên. Khi điện áp tụ đạt giá trị Ud với cực tính dương ở bản
cực phía trên (tức là uC=Ud) thì dòng nạp tụ bằng không, có nghĩa rằng dòng qua T2
cũng bằng không và T2 tự khoá lại. Do chưa khởi động BBĐ nên mạch điện cực điều
khiển T1 chưa kín, van T1 chưa được cấp xung điều khiển và chưa làm việc, còn T2 nếu
có tiếp các xung điều khiển thì vẫn khoá do tụ C đã nạp đầy dẫn đến không có điện áp
thuận trên T2, vì vậy điện áp tụ C sẽ được giữ nguyên giá trị và cực tính như vậy để
chuẩn bị quá trình khoá T1 khi ta cho sơ đồ làm việc.
Khởi động và đưa BBĐ vào làm việc:
Tại t=t0 ta ấn nút điều khiển khởi động BBĐ, lúc đó rơ le khởi động sẽ tác động
và làm kín mạch điện cực điều khiển T1 với mạch phát xung. Tại một thời điểm nào đó
sau t0 (t=t0’) thì trên điện cực điều khiển T1 xuất hiện xung điều khiển đầu tiên, do
đang có điện áp thuận nên T1 sẽ mở và xuất hiện dòng điện từ cực dương nguồn qua
van T1 qua phụ tải về cực âm nguồn. Van T1 mở, bỏ qua sụt áp trên nó ta có ut=Ud,
mặt khác T1 mở sẽ tạo đường phóng điện cho tụ C và tụ sẽ phóng điện theo đường C -
T1 - D - L - C. Nếu ta bỏ qua sụt áp trên T1 và D đang dẫn dòng thì mạch vòng phóng
điện của tụ là một mạch vòng dao động cộng hưởng không có tổn thất. Như đã rõ
trong lý thuyết mạch điện, ta có:
Với sự phóng điện của tụ trong vòng dao động cộng hưởng thì ban đầu dòng
phóng của tụ tăng dần đồng thời điện áp trên tụ giảm dần, khi điện áp trên tụ giảm
xuống bằng không thì dòng qua tụ và điện cảm đạt giá trị lớn nhất. Sau đó tụ sẽ được
nạp theo chiều ngược lại, giá trị điện áp trên tụ tăng dần thì dòng qua tụ và điện cảm
cũng giảm dần. Khi điện áp trên tụ đạt giá trị bằng trước lúc bắt đầu phóng và cực tính
ngược lại (tức là uC=-Ud) thì dòng qua tụ bằng không và có xu hướng đổi chiều (tụ có
xu hướng phóng điện ngược lại), nhưng do tính dẫn dòng một chiều của diode D mà sự
phóng điện theo chiều ngược lại không xẩy ra và điện áp trên tụ sẽ được giữ nguyên
giá trị và cực tính như vậy (=-Ud) cho đến thời điểm mở T2. Đến thời điểm t1=t0’+tđ ta
cần khóa van T1 (cắt khoá K), ta truyền tín hiệu điều khiển đến T2 (do mạch phát xung
điều khiển thực hiện), T2 sẽ mở và tụ C phóng điện qua T2 mở - qua phụ tải - nguồn
cung cấp. Bỏ qua sụt áp trên T2 mở thì toàn bộ điện áp trên tụ C sẽ đặt lên T1vậy ta có
uT1=uC tức là tại thời điểm T2 mở (t=t1) thì T1 bị đặt điện áp ngược và khoá lại. Khi
điện áp trên tụ vẫn âm thì uT1 vẫn âm và T1 phục hồi tính chất điều khiển. Quá trình
phóng điện làm cho giá trị điện áp trên tụ giảm dần và khi uC = 0 thì tụ sẽ được nạp
theo chiều ngược lại bởi nguồn cung cấp Ud của BBĐ và điện áp trên tụ lại tăng dần
theo chiều ngược lại. Khi giá trị điện áp trên tụ đạt đến Ud thì điện áp trên tải bằng
không và s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong Lt sẽ làm mở D0 và dòng tải sẽ được duy trì qua
diode ngược, bỏ qua sụt áp trên D0 mở thì ut=0 và điện áp tụ cân bằng với điện áp
nguồn (tụ nạp đầy) và dòng qua tụ sẽ giảm về bằng không nên dòng T2 cũng bằng
không và van T2 tự khoá lại, điện áp trên tụ được giữ nguyên giá trị và cực tính như
vậy cho đến lúc T1 mở. Tại t=t2=t1+tc van T1 lại có tín hiệu điều khiển, T1 lại mở,
ut=Ud và D0 bị đặt điện áp ngược khoá lại. T1 mở thì qua T1 lại có dòng tải và dòng
phóng của tụ. Sự làm việc của sơ đồ trong các giai đoạn tiếp sau diễn ra tương tự như
chu kỳ vừa xét. Như vậy bằng cách truyền tín hiệu điều khiển đến T1 và T2 theo qui
luật nhất định mà ta đã khống chế được quá trình mở - khoá của T1 đúng theo qui luật
cần thiết. Chu kỳ làm việc của 2 van T1 và T2 bằng nhau và đúng bằng chu kỳ của điện
áp trên tải. Thời gian một lần đóng của khoá K bằng thời gian một khoảng mở của T1,
nó bằng khoảng thời gian từ thời điểm xuất hiện một xung điều khiển trên T1 đến thời
điểm xuất hiện xung điều khiển trên T2 gần nhất và tiếp sau xung xuất hiện trên T1.
IV.2.1.3 Nguyên lý làm việc của các sơ đồ khác
a/- Sơ đồ 2 (hình 4.2b)
Từ sơ đồ hình 4.2b ta thấy rằng nó chỉ khác sơ đồ hình 4.2a là tồn tại thêm một mạch
vòng phóng điện thứ hai, có tác dụng giảm ảnh hưởng của dòng tải đến thời gian
phóng điện của tụ. Các điều kiện cũng như biện pháp nạp điện ban đầu cho tụ cũng
tương tự như sơ đồ 1.
b/- Sơ đồ 3 (hình 4.2c)
Với sơ đồ này thì không cần phải nạp điện ban đầu cho tụ. Đây là ưu điểm của sơ đồ
này so với các sơ đồ khác.
Ví dụ tại t=0 ta bắt đầu khởi động sơ đồ, giả thiết trước đó điện áp trên tụ đang
bằng không. ở thời điểm t=t0 sẽ xuất hiện xung điều khiển đầu tiên trên T1 và van T1 sẽ
mở vì đang có điện áp thuận do nguồn cung cấp một chiều Ud gây nên. Van T1 mở thì
sụt áp trên nó bằng không và trên tải được đặt điện áp nguồn cung cấp (tức là lúc này
ta có: ut=Ud), đồng thời sẽ xuất hiện dòng nạp cho tụ C theo mạch vòng: (+Ud) -T1 - D
- L - C- (-Ud). Nếu bỏ qua sụt áp trên T1và D đang dẫn dòng thì đây là một mạch vòng
cộng hưởng không tổn thất, theo lý thuyết mạch điện thì tụ C sẽ nạp điện với qui luật
thay đổi của điện áp dạng hàm sin, còn dòng qua tụ thay đổi theo qui luật hàm cosin
(ta đặt t’=t-t0 thì thời điểm tụ bắt đầu nạp - tức là bắt đầu mở T1: t'=0). Biểu thức dòng
và áp tụ C sẽ là:
uC=2.Ud.sin0t’; iC=Im.cos0t’;
Với 0ω 1/ LC là tần số góc cộng hưởng, Im=2.Ud/0.L là biên độ dòng qua tụ
điện C và cuộn kháng L khi tụ C nạp điện. Như vậy khi 0t’=/2 thì uC=2Ud, còn dòng
qua tụ thì bằng không và bắt đầu có xu hướng đổi chiều, do tính dẫn dòng một chiều
của D, mặt khác T2 còn khoá nên quá trình đổi chiều dòng qua tụ chưa xảy ra. Điện áp
trên tụ lúc đó có giá trị bằng 2Ud và cực tính dương ở bản cực phía trên trong sơ đồ
hình 4.2c và sẽ được giữ nguyên như vậy cho tới lúc mở T2. Tại t=t1=t0+tđ thì ta cần
khoá van T1, ta đưa tín hiệu điều khiển đến mở T2, van T2 sẽ mở do điện áp trên nó
đang thuận, tụ C sẽ phóng điện qua T2 - qua phụ tải. Sự phóng điện của tụ C qua T2
gây nên trên T1 một điện áp ngược (khi T2 mở thì uT1=Ud-uC), do vậy mà T1 khoá lại.
Khi tụ phóng đến điện áp bằng không thì D0 sẽ mở và dẫn dòng nhờ s.đ.đ. tự cảm sinh
ra trong Lt, nên dòng tụ sẽ giảm về bằng không, dẫn đến dòng T2 cũng bằng không, T2
tự khoá lại. Đến t=t2=t1+tc=t0+Tck thì ta lại truyền xung điều khiển đến mở T1 và sự
làm việc của sơ đồ sẽ diễn ra tương tự như chu kỳ vừa xét.
c/- Sơ đồ 4 (hình 4.2d)
Hình 4.4
uT1 iT1
t
t2
Ud
t1
0
-Ud
t5 t4 t3
t
t2
Ud
t1
-Ud
t5 t4 t3
uC iC
t
t2
2Ud
t1
0
0
Ud
t5 t4 t3
ut
Với sơ đồ này cũng phải nạp điện trước cho tụ C, ta giả thiết là đã nạp điện trước cho
tụ với cực tính dương ở bản cực phía trên. Cho sơ đồ bắt đầu làm việc, giả thiết cực
tính điện áp ban đầu trên tụ như đã nêu, tại t=t0 xuất hiện xung điều khiển thứ nhất trên
T1, van này mở và qua nó sẽ có dòng điện tải do nguồn cung cấp tạo nên, ut=Ud. Tại t=
t1=t0+tđ ta cần khoá T1, lúc đó ta truyền xung điều khiển đến T3 và T5, hai van này mở,
tụ điện C sẽ phóng điện qua chúng-qua phụ tải và nguồn cung cấp gây nên trên T1 một
điện áp ngược làm cho T1 khoá lại. Sau khi phóng đến điện áp bằng không thì C sẽ
được nạp theo chiều ngược lại và khi điện áp trên C đạt giá trị bằng Ud với cực tính
ngược lại (dương ở bản cực phía dưới) thì D0 mở và dòng nạp tụ sẽ bằng không, nên
T3 và T5 khoá lại. Tại t2=t1+tc thì ta lại truyền xung điều khiển thứ hai đến mở T1, van
T1 lại mở. Đến t3=t2+tđ ta lại cần khoá T1, lúc này ta truyền xung điều khiển đến hai
van T2 và T4, hai van này sẽ mở do đang có điện áp thuận, tụ C sẽ phóng điện qua hai
van này và gây nên trên T1 một điện áp ngược, T1 khoá lại. Tụ điện C sau khi phóng
đến điện áp bằng không thì lại được nạp theo chiều ngược lại bởi nguồn cung cấp Ud
qua T2 ,T4 cho đến khi giá trị điện áp
trên tụ bằng Ud và cực tính như trước
khi khởi động sơ đồ (dương ở bản cực
phía trên) thì D0 mở, T2,T4 khoá lại.
Tại t=t4=t3+tc ta lại mở T1 và tại
t5=t4+tđ thì lại cần khoá T1, ta lại
truyền tín hiệu điều khiển đến hai van
là T3 và T5, hai van này lại mở, tụ C
phóng điện qua chúng và gây nên điện
áp ngược trên T1 làm cho T1 khoá lại.
Quá trình tiếp theo trong sơ đồ diễn ra
tương tự, chu kỳ xuất hiện của tín hiệu
điều khiển trên các Thyristor phụ bằng
hai lần chu kỳ làm việc của van T1.
IV.2.2.Quá trình chuyển đổi của bộ
biến đổi
Điện áp và dòng điện các phần
tử BBĐ một chiều-một chiều
trong một chu kỳ điện áp ra
Một chu kỳ làm việc của BBĐ có thể
chia làm 4 giai đoạn. Ta chọn mốc bắt
đầu xét (t=0) là thời điểm truyền xung điều khiển đến mở T2 để khoá T1 và giả thiết
rằng trước đó sơ đồ đã làm việc ở chế độ xác lập. Ta có các biểu thức dòng và áp các
phần tử của sơ đồ trong các giai đoạn làm việc như sau:
Giai đoạn 1:
Từ t=0t=t1 (t1 là thời điểm kết thúc sự phóng và nạp ngược lại của tụ C qua mạch
vòng C-T2-tải-Ud-C)
Trước thời điểm này T1 đang dẫn dòng và phụ tải đang được đặt điện áp bằng
Ud, tụ C đã nạp đến điện áp bằng -Ud. Tại thời điểm xét ta truyền xung điều khiển đến
T2 và T2 mở, T1 bị đặt điện áp ngược khoá lại, tụ C phóng điện qua T2, qua tải và
nguồn cung cấp, dòng phóng của tụ bằng dòng tải, để đơn giản cho việc nghiên cứu ta
giả thiết rằng trong giai đoạn phóng và nạp lại của tụ C thì dòng tải không thay đổi
(thực tế thì giả thiết này hoàn toàn có thể chấp nhận được vì thời gian phóng và nạp lại
của tụ C rất ngắn so với thời gian một chu kỳ của điện áp ra và nếu tải có điện cảm khá
lớn thì trong thời gian đó dòng tải thay đổi không đáng kể) và bằng Imax. Vậy ta có:
iT1= 0; uT1=uC; iC=it=Imax; uC= -Ud+Imax.t/C
Như vậy trong tời gian này điện áp trên C thay đổi theo qui luật tuyến tính, đến
t=t1/2 thì uC=0 và bắt đầu đổi chiều, khi uC = Ud thì T2 khoá lại và kết thúc giai đoạn
thứ nhất.
Giai đoạn 2:
Từ t= t1t=t2 (t2 là thời điểm kết thúc một khoảng cắt của K), lúc này tụ điện ngừng
nạp T2 khoá,van D0 mở và dòng tải được duy trì qua D0,ta có:
iT1= 0; uT1=Ud; iC= 0; uC= Ud; iT2= 0; ut= 0; iDo= it .
Giai đoạn 3:
Từ t= t2t=t3 (t3 là thời điểm kết thúc sự phóng và nạp ngược lại của C qua mạch vòng
dao động cộng hưởng). Trong giai đoạn này tụ điện phóng điện qua T1 mở - qua D -
qua điện cảm L và sau đó được nạp theo chiều ngược lại nhờ tính chất dao động cộng
hưởng của mạch vòng phóng điện, van D0 bị đặt điện áp ngược khoá lại, qua T1 có 2
thành phần dòng điện là dòng tải và dòng phóng nạp của tụ, vậy ta có:
iT1 = it-iC; uT1 = 0; )](sin[./.)](sin[. 2020 ttLCUttIi dmC
;
uC = Ud.cos[0(t-t2)]; iT2 = 0; ut = Ud; iDo = 0; iL = -iC .
Giai đoạn 4:
Từ t= t3t=t4 (t4 là thời điểm kết thúc sự dẫn dòng của van T1 (tại thời điểm này cần cắt
K, ta truyền tín hiệu điều đếnT2, van T2 lại mở, tụ C lại phóng điện qua mạch qua T2 -
qua tải - qua nguồn cung cấp sau đó được nạp theo chiều ngược lại bởi nguồn Ud).
Trong giai đoạn này dòng điện trong sơ đồ chỉ đi từ nguồn qua T1, qua tải, van D0 vẫn
bị đặt điện áp ngược và khoá, ta có:
iT1 = it; uT1 = 0; iC = 0; uC = -Ud; iT2 = 0; ut = Ud iDo = 0; iL = 0
Khoảng thời gian từ t=0 đến t=t4 đúng bằng một chu kỳ làm việc của BBĐ, các
chu kỳ tiếp theo sơ đồ làm việc tương tự. Đồ thị dòng điện và điện áp trên T1, tụ điện
C và đồ thị điện áp trên tải như hình 4.4.
Tính chọn các phần tử của BBĐ một chiều-một chiều
Chọn các van
Việc tính chọn các van trong BBĐ này cũng trong tự như việc tính chọn các van trong
các BBĐ khác, giá trị tính toán về áp và dòng đối với T1 và T2 trong sơ đồ 1 được xác
định theo đồ thị hình 4.4. Điện áp ngược lớn nhất trên các van là:
UT1ngmax = UT2ngmax = Ud.
Dòng trung bình các van được xác định theo đồ thị hình 4.4 trong chế độ nặng
nề nhất, đối với T1là khi tđ =Tck và dòng qua tải lấy giá trị lớn nhất cho phép là Itmax,
vậy ta có:
IT1tbmax = Itmax;
Trong một chu kỳ T2 dẫn dòng một khoảng thời gian bằng khoảng thời gian để
tụ phóng và nạp lại bởi dòng tải từ giá trị uC = -Ud đến uC = Ud (bằng t1), ta có: t1=
2.Ud.C/Itmax, vậy dòng trung bình lớn nhất qua T2: IT2tbmax =Itmax.t1/Tck =2.Ud.C/Tck .
Các biểu thức tính chọn: [ITtb] KiT.ITtbmax; [UTng] KuT.UTngmax. Các hệ số dự
trữ về dòng và áp có thể lấy như với sơ đồ chỉnh lưu.
Diode chuyển mạch có số liệu chọn tương tự như đối với T2; thông số để tính chọn D0
tương tự như T1.
Chọn C và L
a/- Chọn tụ điện chuyển mạch (C)
Tụ điện C được tính chọn về điện dung đủ để đảm bảo thời gian phục hồi tính chất
điều khiển của T1. Từ đồ thị điện áp trên T1 và trên tụ C ở hình 3-4 ta thấy rằng:
khoảng thời gian để cho T1 phục hồi tính chất điều khiển bằng thời gian để tụ C phóng
từ giá trị =-Ud đến bằng không, tức là bằng t1/2 = Ud.C/Itmax. Vậy giá trị nhỏ nhất của
tụ điện chuyển mạch để đảm bảo T1 phục hồi được tính chất điều khiển là:
Cmin = Itmax.tk/Ud ,
Trong đó tk là thời gian phục hồi tính chất điều khiển của T1 lấy theo tài liệu tra
cứu Thyristor.
Thông thường, để đảm bảo sự chuyển mạch an toàn trong mọi trường hợp,
người ta chọn giá trị điện dung của tụ bằng hai lần giá trị nhỏ nhất (min):
Ctt = 2.Cmin =2.Itmax.tk / Ud
Điện áp trên tụ khi làm việc thường là Ud, để đảm bảo độ bền ta thường chọn
điện áp tính toán của tụ 1,5.Ud
b/- Chọn điện cảm chuyển mạch (L)
Giá trị của điện cảm chuyển mạch ảnh hưởng đến biên độ dòng phóng của tụ qua T1,
theo quan điểm hạn chế biên độ xung dòng qua T1 thì L càng lớn càng tốt. Nhưng giá
trị L cũng ảnh hưởng đến chu kỳ cộng hưởng riêng của vòng L-C, mà thời gian để tụ
phóng và nạp lại đến điện áp bằng giá trị ban đầu trước khi phóng ít nhất phải bằng
một nửa chu kỳ cộng hưởng, vậy yêu cầu thời gian đóng nhỏ nhất phải lớn hơn một
nửa chu kỳ dao động cộng hưởng của vòng L-C, tức là: tđmin > L.C / .
Thêm vào đó, giá trị L càng nhỏ thì biên độ dòng phóng nạp của tụ qua L sẽ
càng lớn. Xuất phát từ những đặc điểm trên, để cho sơ đồ hoạt động bình thường trong
phạm vi điều chỉnh yêu cầu và đảm bảo van T1 không bị hỏng bởi biên độ cũng như
tốc độ tăng của dòng khi mở van mà giá trị L được lựa chọn :
Lmin < L < Lmax
Trong đó: Lmin = C.Ud2/ ([ITmax] -It0)
2 ;
Lmax = tđmin2.
2/C ;
Với [ITmax] là giá trị biên độ cực đại cho phép của dòng qua T1, It0 là giá trị dòng
tải tại thời điểm mở T1, C điện dung của tụ được chọn theo mục trước.
IV.3 Mạch tạo xung điều khiển
IV.3.1 Khái niệm chung
Cũng như các BBĐ khác, trong BBĐ một chiều- một chiều ta cũng sử dụng các dụng
cụ bán dẫn có điều khiển, vì vậy để BBĐ có thể làm việc đúng theo yêu thì ta phải tạo
ra các tín hiệu điều khiển để khống chế các van. Mạch điện để tạo ra các tín hiệu điều
khiển này được gọi là mạch điều khiển của BBĐ một chiều-một chiều. Từ nguyên lý
hoạt động của mạch động lực như đã nêu ta thấy rằng, tần số làm việc của BBĐ phụ
thuộc vào tần số tín hiệu điều khiển trên điện cực điều khiển các van. Điều này hoàn
toàn khác so với các BBĐ đã xét trước đây, ví dụ tín hiệu điều khiển các van chỉnh lưu
xuất hiện với tần số bằng tần số nguồn cung cấp cho BBĐ. Như vậy trong mạch điều
khiển BBĐ này cần phải có mạch phát sóng chuẩn, nó quyết định tần số xung điều
khiển các van, tức là quyết định tần số điện áp ra. Ngoài ra phụ thuộc vào phương
pháp điều chỉnh điện áp ra mà cần phải có các mạch điện khác để thực hiện các nhiệm
vụ cần thiết để đảm bảo được qui luật điều chỉnh nhất định. Mặt khác phụ thuộc vào
loại dụng cụ bán dẫn được sử dụng, kiểu sơ đồ mà tín hiệu điều khiển cũng có những
yêu cầu cụ thể khác nhau. Trong chương trình môn học ta chỉ nghiên cứu trường hợp
dụng cụ được sử dụng là Thyristor, phương pháp điều chỉnh điện áp ra là phương pháp
điều chỉnh độ rộng xung.
IV.3.2 Mạch điều khiển BBĐ một chiều- một chiều ứng dụng cho trường hợp điều
chỉnh độ rộng xung
IV.3.2.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển
Hình 4.5 là sơ đồ
khối mạch phát
xung điều khiển cho BBĐ một chiều - một chiều sử dụng khoá đóng cắt bằng
Thyristor, điều chỉnh điện áp ra theo phương pháp xung rộng. Trong đó :
FSCĐ: Là khối phát sóng chủ đạo, có nhiệm vụ tạo ra hệ thống xung điện áp
thường có dạng hình chữ nhật với tần số thường là bằng tần số của xung điện áp
FSR
C
u®kT2
(u®kT1)
u®kT1
(u®kT2)
FSC§ S S
§iÖn ¸p ®iÒu khiÓn
u®k
TXT2
TXT1
Hình 4.5
đầu ra BBĐ. Khối này có thực hiện bằng nhiều sơ đồ khác nhau như các mạch đa
hài, các mạch tự dao động,v.v. .
FSRC: Là mạch tạo ra chuỗi các điện áp hình răng cưa tần số bằng tần số tín hiệu
ra mạch FSCĐ.
SS: mạch so sánh, nó làm nhiệm vụ chuyển dịch thời điểm phát xung đến các
Thyristor phụ (trong trường hợp các sơ đồ 1,2,3 là van T2) so với các thời điểm
mốc (thường là thời điểm xuất hiện xung trên T1).
TXT2: Khối tạo xung cho các Thyristor phụ (T2), nó bao gồm mạch sửa xung,
khuếch đại xung và trong trường hợp sử dụng nhiều Thyristor phụ như sơ đồ 4
(hình4.2d) thì khối này còn có nhiệm vụ phân chia xung cho các Thyristor phụ, và
phần tử cuối cùng của khối là mạch truyền xung (trong trờng hợp này thường sử
dụng máy biến áp xung).
TXT1: Khối tạo xung cho Thyristor chính T1, nó bao gồm mạch sửa xung, khuếch
đại xung và mạch truyền xung (trong trờng hợp này cũng thường sử dụng máy biến
áp xung).
Các phần tử trong mạch phát xung được cung cấp (nuôi) bằng các nguồn điện
áp một chiều. Điện áp điều khiển dùng để điều chỉnh điện áp đầu ra BBĐ là uđk, đây là
điện áp một chiều. Các xung điều khiển các van ký hiệu là uđkT1 và uđkT2 .
*Chú ý: Trong một số trường hợp ta có thể chuyển đổi kênh phát xung cho Thyristor
chính T1 để phát xung điều khiển cho Thyristor phụ và ngược lại, lúc đó chỉ cần quan
tâm đến qui luật thay đổi của điện áp ra theo điện áp điều khiển là được.
IV.3.2.2 Các mạch phát sóng chủ đạo
Như đã nêu, đây là mạch điện quyết định chu kỳ tín hiệu điều khiển, tức là quyết định
chu kỳ làm việc của BBĐ. Mạch này có nhiệm vụ phát ra một dãy xung với chu kỳ xác
định, xung ra có thể là xung vuông hoặc dạng khác. Có rất nhiều sơ đồ phát xung khác
nhau có thể sử dụng cho mục đích này, sau đây ta sẽ giới thiệu một số mạch phát xung
ứng dụng các IC thông dụng.
a/- Mạch phát sóng chủ đạo dùng vi mạch khuếch đại thuật toán
H×nh4.6
a
R +
ura C A
- R1
R2
ura
0
T
Vsat
t
-Vsat
b
+Ucc =5-15 V
t
TH TL
T
ura
a
b
R1 4 8
3 7
555 ura R2 6
5 2 C 1
C1
+Ucc
f1 Q
4044
10 2 4 5 6 14
f1 R Q 11 1
f2 C 13 DSC 3
7 8 9 12
Sơ đồ mạch phát xung như hình 4.6a, trong đó mạch điện gồm vi mạch khuếch
đại thuật toán A và 2 điện trở R1, R2 tạo thành một triger smit, khi thêm tụ điện C và
điện trở R mắc như trong sơ đồ ta có mạch tự dao động, dạng điện áp ra của sơ đồ
được biểu diễn trên hình 3-6b. Điện áp đầu ra của sơ đồ là các xung 2 cực tính (điện áp
xoay chiều) với chu kỳ lặp lại là T được xác định theo công thức sau:
T = 2.R.C.ln[1+(2.R2 / R1)]
Nếu ta chọn R2 0,86.R1 thì biểu thức loga 1 và ta có: T = 2.R.C.
Biên độ các xung bằng giá trị ra bão hoà của KĐTT và được ký hiệu là Vsat.
b/- Mạch phát sóng chủ đạo dùng vi mạch số 555
Hình 4.7
Sơ đồ mạch tạo xung dùng chíp 555 như hình 4.7a. Đây là một sơ đồ đa hài phiếm
định, nguồn cung cấp cho sơ đồ là +Ucc có thể nằm trong khoảng từ 5 15V một
chiều. Điện trở điều chỉnh R1 trong sơ đồ được dùng để điều chỉnh chu kỳ xuất hiện
của xung điện áp ra, giá trị của R1 có thể thay đổi từ 10 1000 k. Giá trị tụ điện C
phải từ 0,1F trở lên. Dạng điện áp ra là các xung vuông một cực tính được biểu diễn
trên hình 4.7b. Chu kỳ của xung ra được xác định như sau:
T = TH + TL .
Trong đó TH được gọi là thời gian mức cao và TH=0,693(R1+R2)C; còn TL được
gọi là thời gian mức thấp và TL= 0,693R2C .
c/- Mạch phát xung chủ đạo dùng IC số 4044
Hình 4.8
Hinh 4.9
C1
+Ucc
Tr C2
uC2 uC1
- R1
A
+ D1,2
R2 -Ucc
uv
urc
Trong trường hợp cần các xung điều khiển với chu kỳ khác nhau, ví dụ khi sử dụng sơ
đồ 4, ta có thể sử dụng mạch phát xung chủ đạo như hình3-8. Trong sơ đồ này có 3
đầu ra, hai đầu Q và ta có các xung cùng tần số là f1 với cực tính ngược nhau, các xung
này có thể dùng để khống chế mạch phát xung cho các Thyristor phụ. Đầu ra thứ ba
(DSC) có các xung với tần số f2 gấp đôi tần số hai kênh kia (f2=2f1), xung ở đầu ra này
có thể dùng để khống chế kênh phát xung cho Thyristor chính T1. Ta có:
f1 = 1/(4,4.R.C) và f2 = 1/(2,2.R.C).
Ngoài các sơ đồ trên ta có thể sử dụng rất nhiều sơ đồ phát xung khác mà trong
giới hạn của chương trình môn học ta chưa xét đến.
IV.3.2.3 Mạch tạo điện áp răng cưa
Ta có thể sở dụng một số sơ đồ tạo điện áp răng cưa bằng Transitor, bằng các vi mạch
khuếch đại thuật toán, v.v... Sau đây ta sẽ nghiên cứu một trong các sơ đồ đó:
a/- Sơ đồ nguyên lý
Trên sơ đồ hình 4.9 ta sử dụng mạch tạo
điện áp răng cưa bằng vi mạch khuếch
đại thuật toán A. Tín hiệu khống chế sự
làm việc của sơ đồ là xung điện áp đầu ra
của mạch phát sóng chủ đạo, nó được
đưa qua mạch vi phân bằng C1 rồi đến
cực gốc Transitor Tr. Các diode D1, D2
dùng để bảo vệ đầu vào khuếch đại thuật
toán. Các phần tử còn lại tương tự như
các mạch tạo điện áp răng cưa đã xét.
b/- Nguyên lý hoạt động của sơ đồ
Do có tụ C1 với điện dung rất nhỏ
mắc trong mạch cực gốc Tr nên
Transitor Tr hầu như chỉ làm việc
trong khoảng sườn tăng của xung
vào, sau đó do tụ C1 được nạp đầy
nên Tr khoá lại. Đến thời điểm
mất xung vào thì tụ C1 sẽ phóng
điện qua điện trở R1 đến bằng không để chuẩn bị cho sự mở lần tiếp theo của Tr khi
xuất hiện xung vào tiếp theo. Ta chọn mốc xét (t= 0) là thời điểm bắt đầu xuất hiện
một xung vào, tại thời điểm này Tr sẽ mở trong một khoảng thời gian rất ngắn nhưng
đủ để tụ điện C2 phóng hết điện tích đã nạp ở giai đoạn trước và uC2=0. Sau khoảng
thời gian mở rất ngắn đó của Tr thì do tụ C1 nạp đầy bởi xung vào nên Tr khoá lại, tụ
C2 được nạp điện. Như đã biết nếu xem rằng dòng vào của A bằng không thì dòng nạp
C2 có giá trị bằng dòng qua điện trở R2 và bằng I=Ucc/R2=const, vì vậy điện áp trên tụ
tăng dần theo qui luật tuyến tính: uC2=I.t/C2 =Ucc.t/(R2.C2). Đến thời điểm t=t1 (thông
thường thì t1=Tck/2, với Tck là thời gian một chu kỳ của xung vào) thì mất xung vào, tụ
uv
t4 t3 t2 t1 0 t
Tck
uC1
0
urc
0
t4 t3 t2 t1 t
t4 t2 t
Hình 4.10
C1 sẽ phóng điện qua R1 đến điện áp bằng không. Đến thời điểm t2=Tck thì lại xuất
hiện xung vào và tụ C1 lại được nạp, Tr lại mở nên tụ C2 phóng nhanh qua Tr đến điện
áp bằng không, sau đó Tr khoá lại tụ C2 lại được nạp. Các chu kỳ tiếp theo sự làm việc
của sơ đồ diễn ra tương tự. Điện áp răng cưa đầu ra của sơ đồ bằng điện áp trên tụ C2.
Đồ thị minh hoạ sự làm việc của sơ đồ như hình 4.10
IV.3.2.4 Các mạch khác
Để có một mạch phát xung điều khiển đầy đủ thì ngoài các mạch phát sóng chủ đạo,
mạch tạo điện áp răng cưa như đã nêu ta cần phải có một số mạch điện khác như:
Mạch so sánh; Mạch sửa xung; Mạch khuếch đại xung; Thiết bị truyền xung ra. Các
phần mạch này có nguyên lý hoàn toàn tương tự như các mạch sử dụng trong hệ thống
điều khiển BBĐ xoay chiều-một chiều và BBĐ xoay chiều-xoay chiều. Vì vậy ở đây ta
không nghiên cứu các mạch này.
IV.3.2.5 Một hệ thống điều khiển BBĐ một chiều-một chiều ứng dụng phương
pháp điều chỉnh xung rộng
a/- Sơ đồ nguyên lý (hình4.11)
Trong sơ đồ này mạch phát sóng chủ đạo dùng IC 555. Tín hiệu ra của mạch phát sóng
chủ đạo được chia làm 2 đường: Đường thứ nhất đưa đến đầu vào mạch sửa và khuếch
đại xung để có xung điều khiển cho T1 (uđkT1); đường thứ hai đưa đến mạch tạo điện áp
răng cưa gồm khuếch đại thuật toán A1, Transitor Tr4 và các phần tử thụ động khác
như: C3, C4, R9, R10, được dùng để phát xung điều khiển cho T2 (uđkT1). Kênh phát
xung cho T1 gồm mạch sửa xung dùng Tr2, tụ C5, R5 và R6, mạch khuếch đại xung
bằng Transitor Tr3 và Tr4 ,đầu ra là máy biến áp xung BAX1. Kênh phát xung cho T2
ngoài mạch tạo điện áp răng cưa đã nghiên cứu thì trong sơ đồ còn có: mạch so sánh
bằng khuếch đại thuật toán A2, mạch sửa xung dùng mạch R13-C6 kết hợp với
Transitor Tr5 của mạch khuếch đại xung, tầng khuếch đại công suất xung cuối dùng
Tr6 và mạch ra sử dụng máy biến áp xung BAX2.
GT2
KT2
C1
C2
C5
GT1
KT1
+Ucc1 §iÖn ¸p ®iÒu khiÓn cã gi¸ trÞ
©m +Ucc2
-Ucc2
u®k Tr4
Tr5
BAX
2
BAX
1 Tr3 Tr6 Tr1 Tr2
C4
R3 R9 -
A1 +
D1,2 R10
R15 R14
R12
R13 R11
R16
R4 D8 D5 RL
D7
D6
R8 R7 R5 R6
D3
D4 u®kT2 u®kT1
8 4 R1
3 7
6 R2
5 2 1
555
C3
- A2
+
C6
* *
* *
Hình 4.11
b/- Nguyên lý làm việc
Nguyên lý làm việc của mạch điều khiển này có thể minh hoạ bởi các đồ thị hình 4.12.
Nguyên lý chi tiết từng
mạch ta có thể tham khảo
các sơ đồ đã xét trước đây.
Từ đồ thị ta xác định được
thời gian một chu kỳ đóng
cắt Tck, thời gian một lần
đóng tđ và thời gian một
lần cắt tc. Cũng từ đồ thị ta
thấy rằng chu kỳ đóng cắt
là không đổi còn thời gian
một lần đóng có thể thay
ddổi bằng việc thay đổi giá
trị điện áp điều khiển uđk. Trên đồ thị hình 4.12 thì ux1 là xung ra của mạch phát sóng
chủ đạo, urc là điện áp răng cưa ở đầu ra của mạch tạo điện áp răng cưa, uđkT1 và uđkT2
là xung điều khiển cấp cho T1 và T2 khi cho BBĐ làm việc.
IV.4. Bộ biến đổi dùng Tranzitor công suất (tham khảo tài liệu)
IV.5. Một số ứng dụng BBĐ xung áp
IV.5.1.Tạo bộ nguồn điện áp cho tải
BBĐ một chiều-một chiều có thể dùng để điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng 2
phương pháp: Điều chỉnh điện áp cung cấp cho mạch phần ứng động cơ (có dùng cho
mọi loại động cơ một chiều) và điều chỉnh từ thông của động cơ. Phương pháp điều
t t4 t3 t2 t1 0
urc -u®k urc -
u®k
Tck
t1' t3'
0
u®k
T2 0
t®
tc u®kT
1 0
a
b
c
d
t
t4 t2 t
t4 t2
t
ux
1
Hình 4.12
Hình 4.13
T1
T2
+
Ud
-
iT1 iD
iC uC
iL
iDo C
D0
CK
T
L
uD
D §
Hình 4.14
+
Ud
-
iD
iC
iD1 D1
D
CK
T uD
§
T1 T2
iT2 iT1
uC
C L
chỉnh điện áp mạch phần ứng được ứng dụng phổ biến hơn cả nên trong phần này ta
chỉ giới hạn nghiên cứu phương pháp này. Khi sử dụng BBĐ một chiều-một chiều
trong mạch phần ứng động cơ một chiều thì để đảm bảo cho động cơ làm việc trong
các trạng thái khác nhau thì sơ đồ nối BBĐ trong mạch phần ứng động cơ cũng phải
thay đổi cho phù hợp để đạt được hiệu quả cao nhất về các mặt.
IV.5.1.1 Sơ đồ trong trạng thái động cơ
Trong sơ đồ này (hình 4.13) ta sử
dụng động cơ một chiều kích từ nối
tiếp, nó có ưu điểm là có cuộn dây
kích từ có điện cảm lớn mắc nối tiếp
trong mạch phần ứng, điều này sẽ cho
phép ta giảm giá trị điện cảm đưa vào
mạch tải BBĐ (giảm được khối lượng
và giá thành) và trong một số trường
hợp có thể không phải dùng thêm điện
cảm. Hoạt động của BBĐ trong trường
hợp này hoàn toàn như khi làm việc với phụ tải tổng quát chung mà ta đã xét. Nhờ
điều chỉnh được giá trị trung bình của điện áp trên phần ứng động cơ mà ta điều chỉnh
được tốc độ động cơ.
*Chú ý: Ngoài trường hợp sử dụng động cơ kích từ nối tiếp đã nêu thì ta có thể sử
dụng các loại động cơ một chiều khác.
IV.5.1.2 Sơ đồ trong trạng thái hãm tái sinh
Nguyên lý làm việc của sơ đồ: Trong
trường hợp này s.đ.đ. động cơ là yếu
tố tạo nên dòng điện trong sơ đồ. Ta
giả thiết từ t=0 đến t=t1 thì Thyristor
T1 mở, s.đ.đ. động cơ được nối ngắn
mạch qua T1(trong mạch còn có điện
cảm của cuộn kích từ động cơ CKT và
trong các trường hợp khác còn có thể
có thêm điện cảm được đưa vào để san
bằng dòng phần ứng động cơ) nên
dòng điện qua phần ứng động cơ và T1 sẽ tăng dần, điện cảm trong mạch phần ứng
động cơ sẽ tích luỹ thêm một năng lượng. Trong khoảng thời gian đó thì tụ C cũng đã
được nạp đến điện áp: uC=-Ud. Tại t=t1 ta truyền xung điều khiển đến T2 để mở T2 và
khoá T1. Van T2 mở nên tụ C phóng điện qua T2 và qua phần ứng động cơ gây nên trên
T1 một điện áp ngược làm T1 khoá lại. Tụ C sau khi phóng đến điện áp bằng không thì
sẽ được nạp ngược lại nhờ s.đ.đ. động cơ và s.đ.đ. tự cảm trong điện cảm mắc ở mạch
phần ứng động cơ. Vì vậy mà khi điện áp trên tụ đạt giá trị s.đ.đ. động cơ (thông
thường ED<Ud) nó tiếp tục được nạp thêm. Tại t=t1' thì uC = Ud, lúc này diode D1 bắt
đầu mở và s.đ.đ. động cơ cùng tác dụng với s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong điện cảm trong
mạch phần ứng động cơ tạo nên dòng qua D1 và nguồn một chiều Ud. Với chiều dòng
nguồn như vậy thì nguồn Ud thu công suất tác dụng còn động cơ làm việc như một
máy phát điện tạo ra công suất điện chuyển cho nguồn. Khi D1 dẫn dòng thì điện áp
trên động cơ bằng Ud và lúc này tụ C sẽ ngừng nạp, van T2 khoá lại. Trong giai đoạn
D1 dẫn dòng thì do tác dụng ngược chiều của Ud mà dòng qua phần ứng động cơ sẽ
giảm dần. Đến t=t2 thì ta lại đưa tín hiệu điều khiển đến mở T1, van T1 lại mở nên phần
ứng động cơ được nối ngắn mạch và uD=0, dẫn đến D1 bị đặt điện áp ngược khoá lại.
Van T1 mở thì tụ C sẽ phóng điện qua T1 - qua D - qua L và sẽ được nạp theo chiều
ngược lại đến uC =-Ud. Quá trình trong sơ đồ cứ diễn ra lặp đi lặp lại mang tính chất
chu kỳ. Trong một chu kỳ làm việc của BBĐ quá trình biến đổi năng lượng trong
mạch diễn ra qua 2 giai đoạn:
- Trong giai đoạn T1 mở thì động cơ phát ra điện năng và điện năng này được nạp vào
điện cảm trong mạch phần ứng động cơ.
- Trong giai đoạn T1 khoá và
D1 mở thì động cơ cũng phát
ra điện năng, đồng thời năng
lượng tích luỹ trong điện cảm
ở mạch phần ứng động cơ
cũng được giải phóng và toàn
bộ năng lượng đó được chuyển
vào nguồn điện áp một chiều
Ud (giả thiết là bỏ qua các tổn
thất).
Như vậy, trong trường
hợp này thông qua sự làm việc
của BBĐ một chiều-một chiều
mà động cơ đã thực hiện quá trình biến cơ năng trên trục động cơ (thường là thế năng
của phụ tải cơ hoặc động năng tích luỹ được trong hệ thống truyền động) thành điện
năngchuyển vào nguồn cung cấp một chiều. Điều này có nghĩa rằng động cơ một chiều
đang làm việc trong trạng thái hãm tái sinh.
Từ hoạt động của sơ đồ ta thấy rằng: nhờ có BBĐ một chiều-một chiều mà ta đã
thực hiện được quá trình hãm tái sinh động cơ một chiều kích từ nối tiếp là loại động
cơ không có chế độ làm việc này nếu nối theo sơ đồ thông thường.
*Chú ý: Do dòng phần ứng động cơ trong chế độ hãm ngược chiều với chế độ động cơ
nên khi sử dụng động cơ một chiều kích từ nối tiếp thì trong các chế độ hãm ta phải
thay đổi cực tính cuộn kích thích phù hợp để đảm bảo cho chiều s.đ.đ. động cơ được
giữ nguyên.
IV.5.1.3 Sơ đồ trong chế độ hãm
động năng
Để tăng hiệu quả hãm động năng
động cơ một chiều người ta ứng
uD uD
iD
t
t2
0
0
t1'
T2
t1 D1 T1
t3' t3
iD
t
iD1
t2
t1' t3'
Hình 4.15
iD
iC
iRh
Rh
D
CKT uD
§
T1 T2
iT2 iT1
uC
C L
Hình 4.16
dụng BBĐ một chiều-một chiều và mắc theo sơ đồ như hình 4.16.
IV.5.2 Biến đổi xung điện trở
IV.5.2.1 Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ nối động cơ và BBĐ như hình 4.17. Trong sơ đồ này:
o -ĐK là động cơ xoay chiều
không đồng bộ ba pha rô to dây
quấn.
o -CL là cầu chỉnh lưu ba pha
không điều khiển dùng để biến
s.đ.đ. xoay chiều mạch rô to
động cơ thành điện áp một
chiều đặt lên BBĐ một chiều-
một chiều.
o -CK là cuộn kháng dùng để san
bằng (lọc) dòng chỉnh lưu.
o -Rf là điện trở phụ.
o -Các phần tử BBĐ một chiều-
một chiều gồm T1, T2, C, L, D
và mạch nạp phụ cho tụ C gồm
nguồn một chiều phụ Up, điện
trở Rp và diode Dp
IV.5.2.2 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK
Sự hoạt động của BBĐ một chiều-một chiều trong sơ đồ này cũng hoàn toàn tương tự
như các sơ đồ đã xét. Chỉ phải lưu ý một vấn đề là điện áp nạp cho tụ C trong trường
hợp chung là nguồn cung cấp cho BBĐ và ở đây là điện áp đầu ra của cầu chỉnh lưu
không điều khiển. Vì vậy khi tốc độ của động cơ cao (gần bằng tốc độ đồng bộ ) thì
s.đ.đ. mạch rô to rất nhỏ nên điện áp chỉnh lưu cũng rất nhỏ không đủ điều kiện để T1
phục hồi tính chất điều khiển. Để đảm bảo cho sơ đồ làm việc bình thường thì trong sơ
đồ này ta bố trí thêm một mạch nạp phụ cho tụ C.
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ như sau:
Nếu ta gọi điện trở giữa 2 điểm A và B là RAB thì ta có: Trong khoảng thời gian
T1 mở (tương ứng khoá K đóng) thì RAB=0, còn trong khoảng thời gian T1 khoá (tương
T1
T2
+
B A
Up Rp Dp
-
iRT iRf
iT1
iT2
iC uC
iL
C
A B C
§K
CL
CK
L D
Rf
Hình 4.17
ứng khoá K cắt) thì RAB=Rf . Vậy giá trị trung bình của điện trở giữa 2 điểm A và B là:
RABtb =Rf.tc/Tck=Rf.(Tck-tđ)/Tck=Rf.(1-)
Như vậy điện trở tương đương trong mỗi pha mạch rô to động cơ sẽ là:
RfR=ksđ.RABtb= ksđ.Rf.(1-)
Trong đó ksđ là hệ số phụ thuộc sơ đồ chỉnh lưu.Từ đó ta thấy rằng khi thay đổi
chế độ làm việc của BBĐ, tức là thay đổi thì ta sẽ điều chỉnh được giá trị điện trở
tương đương trong mỗi pha mạch rô to và như vậy sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ
ĐK.
CHƯƠNG V:
BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU -XOAY CHIỀU (NGHỊCH LƯU)
V.1 Tổng quan về nghịch lưu
Trong lĩnh vực biến đổi năng lượng điện rất nhiều trường hợp phải thực hiện quá trình
biến đổi một nguồn điện một chiều thành điện áp hoặc dòng điện xoay chiều có thể
điều chỉnh được giá trị và tần số của dòng hoặc áp xoay chiều đầu ra. Có một số thiết
bị biến đổi thực hiện được nhiệm vụ này, nhưng phổ biến nhất là các BBĐ một chiều-
xoay chiều sử dụng các dụng cụ bán dẫn có điều khiển mà người thường gọi theo một
tên khác là sơ đồ nghịch lưu.
Phân loại:
Có rất nhiều kiểu sơ đồ nghịch lưu khác nhau, để phân loại người ta cũng sử dụng
nhiều cách khác nhau như: Dựa vào tính chất nguồn cung cấp, dựa vào số pha của đại
lượng ra, dựa vào đặc trưng của thiết bị chuyển mạch, dựa vào đặc tính của phụ tải,
dựa vào kiểu sơ đồ, dựa vào dụng cụ sử dụng trong sơ đồ BBĐ, hoặc kết hợp một số
đặc trưng trên, v.v...
Ở đây ta nghiên cứu sự phân loại BBĐ dựa vào đặc tính của nguồn cung cấp và
đặc tính phụ tải, với cách phân loại này thì BBĐ một chiều-xoay chiều được chia ra
làm 3 loại :
BBĐ điện áp (nghịch lưu điện áp): Là BBĐ một chiều-xoay chiều mà nguồn
cung cấp là nguồn điện áp và phụ tải không có tính chất dao động cộng hưởng
hoặc nếu có tính chất dao động cộng hưởng thì tần số cộng hưởng f0 nhỏ hơn
tần số điện áp ra của BBĐ f (f cũng là tần số làm việc của BBĐ). Người ta
thường mắc song song với 2 cực nguồn một tụ C0 có giá trị đủ lớn (ý nghĩa của
từ đủ lớn là tuỳ thuộc vào chế độ và tần số làm việc, độ chính xác yêu cầu mà
lựa chọn giá trị cần thiết của C0). Tụ C0 có tác dụng duy trì cho điện áp trên 2
cực nguồn không thay đổi khi BBĐ làm việc, đồng thời đảm bảo tính dẫn dòng
2 chiều của nguồn.
BBĐ dòng điện (nghịch lưu dòng điện): Là BBĐ một chiều-xoay chiều mà
nguồn cung cấp là nguồn dòng điện và phụ tải không có tính chất dao động
cộng hưởng hoặc nếu có tính chất dao động cộng hưởng thì tần số cộng hưởng
f0 nhỏ hơn tần số dòng điện ra của BBĐ f (f cũng là tần số làm việc của BBĐ).
Người ta thường mắc nối tiếp với nguồn một điện cảm L0 có giá trị đủ lớn (ý
nghĩa của từ đủ lớn là tuỳ thuộc vào chế độ và tần số làm việc, độ chính xác yêu
cầu mà lựa chọn giá trị cần thiết của L0). Điện cảm L0 có tác dụng duy trì cho
dòng điện nguồn không thay đổi khi BBĐ làm việc, đồng thời đảm bảo tổng trở
lớn của nguồn.
BBĐ cộng hưởng (nghịch lưu cộng hưởng): Là BBĐ một chiều-xoay chiều mà
nguồn cung cấp có thể là nguồn điện áp hoặc nguồn dòng điện nhưng phụ tải
phải có tính chất dao động cộng hưởng với tần số cộng hưởng f0 lớn hơn tần số
điện áp hoặc dòng điện ra của BBĐ f (f cũng là tần số làm việc của BBĐ).
Trong thực tế thì để có tính chất dao động cộng hưởng mạch tải phải có các
phần tử điện cảm và điện dung, ngoài ra để đặc trưng cho sự tiêu thụ công suất
tác dụng của tải thì tải phải có một giá trị điện trở tương đương nào đó. Từ đó ta
thấy rằng quá trình dao động cộng trong mạch tải của BBĐ này là một quá trình
tắt dần. Phụ thuộc vào cách nối các phần tử mạch tải mà loại BBĐ này có thể
được chia ra các loại khác nhau.
Ứng dụng của BBĐ một chiều-xoay chiều
Các BBĐ một chiều-xoay chiều được ứng dụng ở nhiều thiết bị điện khác nhau trong
công nghiệp và trong đời sống hàng ngày, sau đây ta sẽ giới thiệu một số ứng dụng
chủ yếu của loại BBĐ này:
Điều khiển tốc độ các động cơ điện xoay chiều đồng bộ và không đồng bộ bằng
phương pháp thay đổi tần số nguồn cung cấp cho mạch stator của động cơ. Đây
là ứng dụng quan trọng nhất của BBĐ này trong công nghiệp. Bằng phương
pháp điều chỉnh tốc độ này ta có thể đạt được phạm vi điều chỉnh rộng với độ
cứng đặc tính cơ khá cao, nó có thể thay thế cho nhiều hệ thống truyền động
điện mà trước đây phải sử dụng động cơ điện một chiều là loại động cơ có kích
thước lớn, giá thành cao và tuổi thọ thấp hơn các động cơ điện xoay chiều.
Cung cấp nguồn xoay chiều cho các lò tần số. Đây cũng là một ứng dụng khá
quan trọng của BBĐ một chiều-xoay chiều, nó thay thế cho các đèn phát điện tử
có hiệu suất thấp.
Sơ đồ khối các BBĐ tần số có khâu trung gian một chiều
Các thiết bị biến đổi tần số được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp. Thông thường
thì các thiết bị biến tần được chia ra làm 2 loại chính:
Các thiết bị biến tần trực tiếp: Đây là thiết bị biến đổi trực tiếp một điện áp
xoay chiều (thường là điện áp của lưới điện công nghiệp) thành một điện áp
xoay chiều khác có tần số điều chỉnh được trong phạm vi nhất định. Thiết bị
biến tần này thực chất là các sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược. Nhược
điểm của thiết bị biến tần này là phạm vi thay đổi tần số hẹp, chất lượng điện áp
ra xấu.
I
f2,U2 f1,U1 + = C0 Ud
- =
II I
I
f2,I2 f1,U1 + =
L0
Ud
Id
- =
II I
a
b
Hình 5.1
Hình 5.2 -
+
T3 T1 D3
3
D1
1 C0
ut it B A Ud
Z
t T2 T4 D4
4
D2
2
Các thiết bị biến tần gián tiếp: Đây là các thiết bị biến đổi tần số thông qua một
số khâu trung gian, nó có nhược điểm là cồng kềnh, hiệu suất thấp hơn biến tần
trực tiếp nhưng lại khắc phục được các nhược điểm của biến tần trực tiếp. Ta có
sơ đồ khối của biến tần nguồn áp là hình 5.1a và của biến tần nguồn dòng là
hình 5.1b. Trong đó :
o Khâu I: là bộ chỉnh lưu, nó làm nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều lưới
điện có tần số cố định f1 và điện áp không đổi U1 thành điện áp một
chiều Ud.
o Khâu II: là khâu lọc, nó có tác dụng tạo ra nguồn cung cấp cho BBĐ một
chiều có tính chất nguồn áp Ud=const hoặc tính chất nguồn dòng
Id=const.
o Khâu III: là BBĐ một chiều-xoay chiều, trên đầu ra của nó ta thu được
điện áp hoặc dòng điện xoay chiều có giá trị và tần số điều chỉnh được.
Các sơ đồ BBĐ một chiều-xoay chiều có thể sử dụng các dụng cụ bán dẫn là
tiristor hoặc transitor. Trong phần này ta chỉ nghiên cứu các sơ đồ nghịch lưu dùng
tiristor.
V.2 Nghịch lưu một pha
V.2.1 Nghịch lưu điện áp một pha
V.2.1.1 Nguyên tắc khống chế
Nghịch lưu điện áp một pha có thể thực
hiện bằng nhiều sơ đồ khác nhau. Để xét
nguyên tắc tạo ra điện áp xoay chiều trên
tải khi nguồn cung cấp cho BBĐ là một
chiều ta sử dụng sơ đồ phổ biến nhất là
sơ đồ nghịch lưu cầu một pha. Trên hình
5.2 là sơ đồ mạch lực (động lực) của nghịch lưu điện áp một pha mắc theo kiểu cầu
(còn thiếu mạch chuyển đổi).
Trong sơ đồ này:
o Ud là nguồn điện áp một chiều cung cấp cho sơ đồ BBĐ, trong công nghiệp thì
thường là điện áp ra của sơ đồ chỉnh lưu.
o Tụ C0 là tụ lọc, nó góp phần tạo cho nguồn cung cấp có tính chất nguồn điện áp.
Tụ C0 đảm bảo cho điện áp trên 2 cực nguồn không đổi và đảm bảo tính dẫn
dòng hai chiều của nguồn.
o Các tiristor T1, T2, T3, T4 là các tiristor chính dùng để biến điện áp một chiều
thành điện áp xoay chiều.
o Các diode D11, D22, D33, D44 mắc thành một sơ đồ cầu và được gọi là cầu diode
ngược, nó cho phép phụ tải có tính cảm kháng trả lại năng lượng phản kháng
cho nguồn.
o Zt là phụ tải xoay chiều của BBĐ, trong trường hợp tổng quát thì Zt có thể có
đầy đủ các phần tử như: điện trở Rt; điện cảm Lt; điện dung Ct và sức phản điện
động Et. Thông thường ta xét loại phụ tải điện trở-điện cảm (Rt-Lt), đây là loại
tải xoay chiều hay gặp nhất, vì ngay cả động cơ xoay chiều không đồng bộ cũng
có thể thay thế tương đương bằng dạng tải này.
Nguyên tắc khống chế:
Để tạo ra điện áp xoay chiều trên tải Zt người ta khống các tiristor chính của BBĐ làm
việc theo qui luật như sau:
- Khi cần có nửa chu kỳ dương của điện áp trên tải người ta khống chế mở hai van
T1, T2 và khoá hai van T3, T4. Lúc đó điện áp trên tải (cũng là điện áp giữa 2 điểm A
và B) sẽ là: ut=Ud .
- Khi cần có nửa chu kỳ âm của điện áp trên tải người ta khống chế mở hai van T3,
T4 và khoá hai van T1, T2. Lúc đó điện áp trên tải sẽ là: ut=-Ud .
Nhờ việc khống chế các van làm việc theo qui luật như trên và lặp đi lặp lại với
chu kỳ bằng chu kỳ điện áp ra yêu
cầu ta có điện áp trên tải là điện áp
xoay chiều có dạng hình chữ nhật
(còn gọi là dạng sin chữ nhật). Đồ
thị điện áp trên tải khi cho các van
làm việc theo qui luật trên được
minh hoạ trên hình 5.3.
V.2.1.2 Nguyên lý làm việc của sơ
đồ khi có xét đến các diode ngược,
tải Rt-Lt, Dòng qua tải
a/- Nguyên lý làm việc của sơ đồ khi có xét đến các diode ngược, tải Rt-Lt
Ta giả thiết là sơ đồ đã làm việc ở chế độ xác lập trước thời điểm ta bắt đầu xét t=0
(thời điểm mốc bắt đầu xét t=0 là thời điểm ta truyền xung điều khiển đến mở 2 van
T1 và T2). Như vậy lân cận trước t=0 thì trong sơ đồ đang có 2 van là T3 và T4 đang
dẫn dòng, dòng điện trong sơ đồ lúc đó khép kín theo mạch: (+Ud) - T3 - Zt -T4 - (-Ud),
điện áp trên tải ut=-Ud còn dòng tải có giá trị âm. Tại t=0 ta khống chế khoá 2 van T3,
T4 (nhờ mạch chuyển đổi tương tự như BBĐ một chiều-một chiều) và truyền tín hiệu
điều khiển đến mở T1 và T2. Hai van T3, T4 khoá lại nhưng do tải có điện cảm Lt nên
dòng qua tải không thể đổi chiều ngay, tức là dòng tải chưa khép qua T1, T2. Lúc hai
van T3, T4 khoá lại làm cho dòng tải giảm và có xu hướng đổi chiều, trong Lt xuất hiện
s.đ.đ. tự cảm chống lại quá trình này và tiếp tục duy trì dòng tải theo chiều cũ một
khoảng thời gian nữa và lúc này dòng tải được khép kín theo mạch: Zt - D11 - Ud - D22
-Zt. Như vậy tuy dòng tải chưa đổi chiều nhưng điện áp trên tải đã đổi chiều (ut=Ud),
còn dòng qua nguồn lúc này ngược chiều với điện áp nguồn, tức là trong giai đoạn này
nguồn một chiều thu công suất. Về mặt năng lượng thì ở giai đoạn này năng lượng tích
luỹ trong điện cảm phụ tải Lt ở giai đoạn T3 và T4 dẫn dòng (cũng được gọi là năng
lượng phản kháng) được giải phóng ra và chuyển trả cho nguồn cung cấp một chiều.
Khi toàn bộ năng lượng tích luỹ trong Lt được giải phóng hết thì dòng tải bằng không
và bắt đầu đổi chiều (tại t=t1) và sẽ khép qua T1 và T2. Vậy giai đoạn từ
t=t1t= thì T1 và T2 làm việc, dòng tải khép kín theo mạch: (+Ud) - T1 - Zt - T2 -
ut Ud
T1,T2 më T1,T2 më 3 2
t 0
T3,T4 më T3,T4 më -Ud
Hình 5.3
ut it ut Ud
Im
-Im
3 2 t t2 t4
t3 t1
-Ud
it
(-Ud), ut=Ud. Tại t= ta khống chế khoá T1, T2 và mở T3, T4. Cũng tương tự như tại
t=0, lúc này s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong Lt sẽ làm cho dòng tải tiếp tục được duy trì
theo chiều cũ (tức là it vẫn dương) và nó được khép kín theo mạch: Zt - D33 - Ud - D44 -
Zt, và điện áp tải thì đổi chiều: ut=-Ud. Đến t=t2=t1+ thì dòng tải bằng không và
đổi chiều, nó sẽ khép kín theo mạch: (+Ud) - T3 - Zt - T4 - (-Ud) cho đến t=2, trong
giai đoạn này ut=-Ud. Trong các chu kỳ tiếp theo sự hoạt động của sơ đồ tương tự như
chu kỳ vừa xét.
b/- Dòng qua tải Rt-Lt
Từ nguyên lý hoạt động vừa nêu ta thấy rằng trong nửa chu kỳ từ t=0 đến t= thì
điện áp trên tải ut=Ud, còn nửa chu kỳ sau thì ngược lại ut=-Ud. Do tính chất đối xứng
của 2 nửa chu kỳ nên ta chỉ cần xác định biểu thức dòng tải của một nửa chu kỳ là đủ.
Ta xét cho giai đoạn t=0 đến t=, trong giai đoạn này ta có phương trình vi phân
sau:
Rt.it + Lt.dit/dt =Ud (5-1)
Chuyển sang dạng toán tử Laplace ta được:
Rt.I(p) + p.Lt.I(p)-Lt.i(0) =Ud/p (5-2)
Trong đó: I(p) là ảnh Laplace của it, còn i(0) là giá trị dòng tải tại thời điểm
t=0, khi sơ đồ BBĐ đã làm việc ở chế độ xác lập và với tính đối xứng của 2 nửa chu
kỳ điện áp và dòng điện trên tải ta suy ra i(0) cũng bằng giá trị it tại t=2 và bằng
nhưng ngược dấu với dòng tải tại t=, ta ký hiệu giá trị dòng tải tại t= là Im thì
trong trường hợp này ta có: i(0)=-Im. Ta đặt Rt/Lt =a, giải phương trình (5-2) ta được:
I(p) = Ud.a / [Rt.p.(a+p)] - Im/(a+p) (5-3)
Chuyển về dạng hàm gốc ta được:
it = (Ud/Rt).(1-e-at
) - Im.e-at
(5-4)
Ta có thể tìm được giá trị của Im khi cho t=T/2=/, với T là chu kỳ điện áp ra :
Im=(Ud/Rt).(1-e-aT/2
) - Im.e-aT/2
(5-5)
Rút ra : Im=(Ud/Rt).(1-e-aT/2
)/(1+ e-aT/2
) (5-6)
Thay (5-6) vào biểu thức (5-4) và biến đổi, cuối cùng ta được :
it = (Ud/Rt).(1+e-aT/2
-2e-at
)/(1+e-aT/2
) (5-7)
Đồ thị dòng áp trên tải như hình 5.4
Hình 5.4
Giá trị t1 có thể xác định bằng cách thay t=t1 vào biểu thức dòng it và cho vế trái
bằng không, cuối cùng ta rút ra :
t1 = (Lt/Rt).ln[(Ud+Rt.Im)/Ud] (5-8)
Cũng từ các kết quả trên ta có: Các tiristor trong thời gian một chu T dẫn dòng
một khoảng bằng T-t1, còn các diode ngược thì dẫn dòng một khoảng đúng bằng t1.
Xuất phát từ nhận xét này ta có thể tìm được giá trị trung bình của dòng qua các van
như sau:
Dòng trung bình qua diode ngược:
1 1(1/ ). . (1/ ) ( / ).(1 ) .
0 0
t tat atI T i dt T U R e I e dtmt tDtb d
(5-9)
Dòng trung bình qua tiristor:
/2 /2(1/ ). . (1/ ) ( / ).(1 ) .
1 1
T T at atI T i dt T U R e I e dtmt tDtb dt t
(5-10)
V.2.1.3 Một số sơ đồ nghịch lưu điện áp một pha có cả mạch chuyển đổi
a/- Sơ đồ 1
Sơ đồ nguyên lý của BBĐ như hình 5.5, trong sơ đồ này ngoài các phần tử giống như
sơ đồ hình 5.2 còn có thêm các phần tử mạch chuyển đổi (mạch để khoá các tiristor
chính), trong đó: L1, L4, C1, C4 là các phần tử chuyển mạch của 2 van T1 và T4; còn L2,
L3, C2, C3là các phần tử chuyển mạch của 2 van T2 và T3. Các điện cảm chuyển mạch
có giá trị nhỏ và bằng nhau, mặt khác từng cặp L1 và L4, L2 và L3 có liên hệ hỗ cảm với
nhau (ghép kiểu biến áp) với hệ số liên hệ bằng 1.
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ
Để xét nguyên lý chuyển mạch của sơ đồ ta chỉ cần xét quá trình khoá một van của sơ
đồ rồi suy ra cho trường hợp khoá các van còn lại. Ta sẽ xét quá trình khoá T1. Ta giả
thiết rằng sơ đồ đang làm việc bình thường, hai van T1 và T2 đang dẫn dòng sụt điện
áp bởi dòng tải trên L1 và L2 bỏ qua vì không đáng kể, uT1 = uT2 = 0, và do vậy mà các
tụ C3 và C4 sẽ nạp đến giá trị bằng Ud với cực tính như ghi trên sơ đồ hình 4-5, còn
điện áp trên C1 và C2 bằng không. Tại thời điểm t=t0 ta cần khoá T1, T2 và mở T3, T4,
ta truyền xung điều khiển đến hai van T3, T4 và quá trình khoá T1, T2 sẽ diễn ra. Ta chỉ
xét quá trình khoá T1, còn quá trình khoá T2 diễn ra tương tự. Khi T4 có tín hiệu điều
khiển thì T4 mở vì trên nó đang được đặt điện áp thuận bằng điện áp trên tụ C4 và lúc
đó tụ C4 sẽ phóng điện qua điện cảm L4 và van T4, do sụt điện áp trên T4 mở bỏ qua
(uT4=0) nên trên L4 được đặt điện áp bằng điện áp trên C4, tức là: uL4=uC4. Mặt khác do
sự liên hệ kiểu biến áp của L1 và L4 mà trên L1 cũng sẽ cảm ứng một điện áp bằng điện
áp trên L4: uL1=uL4. Với cực tính các cuộn dây như trên sơ đồ ta có : Tại thời điểm T4
mở thì trên L1 và L4 xuất hiện điện áp bằng 2Ud với cực tính dương đặt vào Cathode T1
và âm đặt vào anôt T4 và trên van T1 sẽ có điện áp ngược:
-
T3 T1
D33 D11
C0
ut it
* *
* *
+ - C1
+ -
C4
L1
L4
Ud
Zt
T2 T4 D44 D22
C3
C2
L3
L2
I I
C1
Ud I +
-
C4
L1
L4 L4
I
T4
T¶i
I Lt Rt
I+i
D44 C4 i
T4
T¶i
Lt Rt
a b
Hình 5.5
uT1 = Ud - 2Ud = -Ud
và T1 sẽ khoá lại, khi điện áp trên tụ C4 giảm về bằng không thì do diode D44 mắc song
song với C4 mà quá trình nạp ngược lại của C4 không xẩy ra, lúc này tụ C1 cũng được
nạp đến điện áp bằng Ud, với phụ tải có đặc tính điện trở-điện cảm thì dòng tải chưa
đổi chiều mà nó được khép qua D44 và D33 về nguồn cung cấp, van T4 tạm thời khoá
lại. Khi năng lượng tích luỹ trong Lt được giải phóng hết thì dòng tải bằng không và có
xu hướng đổi chiều, lúc này nếu trên T4 và T3 vẫn còn tín hiệu điều khiển thì 2 van này
lại mở và dòng tải đổi chiều. Quá trình khoá các van T3 và T4 sẽ diễn ra tương tự khi ta
truyền tín hiệu điều khiển đến mở 2 van T1, T2.
Tính toán các phần tử chuyển mạch
Hình 5.6
Ta giả thiết là phụ tải điện trở-điện cảm với điện cảm Lt của phụ tải lớn hơn rất
nhiều so với điện cảm chuyển mạch L (L1=L2= L3=L4=L<<Lt), bỏ qua các tổn thất
trong sơ đồ, và trong thời gian chuyển mạch thì xem rằng dòng qua tải không thay đổi
và bằng dòng tải tại thời điểm bắt đầu chuyển mạch (=I). Trước thời điểm chuyển
mạch thì dòng qua L1 bằng I, còn dòng qua L4 bằng không nên năng lượng tích luỹ
tổng trong L1 và L2 bằng L.I2/2. Ngay sau khi T4 bắt đầu dẫn điện thì phân bố dòng
điện được biểu diễn trên hình 4-6a, do sự liên tục của năng lượng từ trường trong các
điện cảm L1 và L4 nên khi dòng qua L1 bằng không thì dòng qua L4 phải bằng I để đảm
bảo năng lượng từ trường trong chúng vẫn là LI2/2. Trong sơ đồ lúc này hình thành
mạch vòng dao động gồm C1, C4 và L4 mắc song song nên tần số góc cộng hưởng:
+
0 = 1/ LC2 (5-11)
Dòng tổng của C1 và C4 phải bằng 2I vì gồm dòng phóng qua tải và qua L4. Khi điện
áp trên tụ C4 hoặc trên L4 giảm xuống còn một nửa giá trị ban đầu thì điện áp trên T1
bằng không và bắt đầu chuyển sang dương. Khoảng thời gian tụ C4 phóng từ Ud xuống
còn Ud/2 là thời gian phục hồi tính chất điều khiển của T1. Sau khi điện áp trên tụ C4
giảm xuống bằng không thì D44 mở và dòng điện của L4 sẽ khép qua diode này, tổn
thất thực tế trên T4, D44 và L4 sẽ tiêu tán hết năng lượng dư trong L4 và dòng qua T4,
L4 sẽ triệt tiêu. Giai đoạn tiêu tán năng lượng dư trong L4 được biểu diễn trên hình 4-
6b. Theo các phân tích trên ta có dòng qua L4 trong khoảng thời gian đầu của quá trình
chuyển mạch là:
i=(Imax+I).sin(0t+) - I (5-12)
Với Imax là giá trị dòng cực đại qua L4 và T4 khi chuyển mạch, để tránh các tổn
hao quá lớn khi chuyển mạch ta thường chọn Imax=1,5I. Góc được xác định từ điều
kiện: tại t=0 thì i bằng I. Vậy:
=arcsin[2I/(Imax+I)] (5-13)
Để cho điện áp trên L4 giảm xuống bằng một nửa giá trị ban đầu cũng có nghĩa
là di/dt cũng giảm xuống còn một nửa giá trị ban đầu, khoảng thời gian này (ta ký hiệu
là t1) tối thiểu phải bằng thời gian khoá của tiristor tk. Tạm lấy t1=tk, ta có:
0tk = arccos(cos /2) - (5-14)
Từ (5-14) ta tìm được 0, giả thiết ta đặt 0=A. Dòng điện qua nguồn một chiều
id=(1/2).(Imax+I)sin(0t+). Khi (0t+)=/2 thì điện áp trên tụ C4 bằng không và dòng
qua cuộn dây L4 đạt giá trị cực đại bằng Imax. Năng lượng lấy từ nguồn trong khoảng từ
0t=0 đến (0t+)=/2 là:
0
0
/ 2
d max 0 0
0
W .(1/ 2).( )sin( ) ( )
t
d
t
U I I t d t
(5-15)
Điện áp trên tải khi đồng thời diễn ra quá trình khoá T1 và T2 có thể xác định
theo mạch vòng qua nguồn, hai van T3 và T4 cùng hai điện cảm chuyển mạch:
ut=2L.di/dt - Ud (5-16)
Vậy năng lượng nguồn chuyển cho tải trong giai đoạn này là :
0
0
/ 2
d max 0 0 0
0
W 2 ( ) sin( ) . ( )
t
d
t
L I I t U I d t
(5-17)
Năng lượng mất đi trong C4 được chuyển vào C1. Năng lượng tích luỹ thêm của
L4 trong khoảng thời gian chuyển mạch từ thời điểm đầu cho đến thời điểm điện áp
trên C4 bằng không là:
WL =L(Imax2 - I
2) (5-18)
Cân bằng năng lượng trong giai đoạn này ta có :
Wd = Wt + WL (5-19)
Hình 5.7 -
+
T3
D3
T1
D1
D33 D11
C0 ut it
L1 C1
Ud
+ -
+ - Zt D2
T2
D4
T4
D44 D22
L2 C2
Hình 5.8
T6
-
+
T3 T1 D33 D11
C0 ut
it Ud
Zt T2 T4 D44 D22
T5
- + - +
T8
T7
C2 L2
C1 L1
Sử dụng các biểu thức (5-15) - (5-19) ta sẽ xác định được giá trị cần thiết của L,
sau đó dựa vào biểu thức (5-11) ta sẽ xác định được giá trị của C (C1= C2= C3= C4=
C). Trị số chọn của C thường lấy bằng 2 lần tính toán.
b/- Sơ đồ 2
Trong sơ đồ hình 5.7 thì mạch chuyển
đổi để khoá các tiristor chính gồm có
C1, L1 dùng để khoá nhóm van anôt
chung T1, T3, còn C2, L2 dùng để khoá
nhóm van Cathode chung T2, T4.
Trong sơ đồ còn có thêm các diode D1
D4 được gọi là các diode cắt (ngăn
cách).
Nguyên lý quá trình khoá một
tiristor chính, ví dụ là T1, diễn ra như sau:
Ta cũng giả thiết là 2 van T1 và T2 đang làm việc, các tụ C1 và C2 đã được nạp điện
đến giá trị bằng Ud với cực tính như hình vẽ. Tại t=t0 nào đó ta cần khoá T1 và T2,
đồng thời mở T3 và T4, ta truyền tín hiệu điều khiển đến T3 và T4. Khi T3 và T4 có tín
hiệu điều khiển thì 2 van này sẽ mở, các tụ C1 và C2 sẽ phóng điện qua các van này. Tụ
C1 phóng điện qua D1 - qua D11 - qua T3 - qua L1 - về C1 tạo nên trên T1 một điện áp
ngược nhỏ ( bằng hai lần sụt điện áp trên một diode mở) và T1 khoá lại. Đối với T2 quá
trình khoá cũng tương tự : tụ C2 phóng điện qua T4 - qua D22 - qua D2 - qua L2 - về C2
tạo nên trên T2 một điện áp ngược nhỏ và T2 khoá lại. Ngoài các đường phóng trên thì
các tụ còn phóng qua mạch tải và trong giai đoạn đầu 2 diode D3 và D4 còn bị đặt điện
áp ngược nên chưa dẫn dòng. Sau khi năng lượng tích luỹ trong Lt được giải phóng hết
thì dòng tải đổi chiều và khép vòng qua T3, D3, D4, T4. Các tụ C1 và C2 sau khi phóng
hết sẽ được nạp theo chiều ngược lại để chuẩn bị cho quá trình khoá T3 và T4 khi mở
T1 và T2 .
c/- Sơ đồ 3
Trong sơ đồ hình 5.8 thì mạch chuyển đổi để khoá các tiristor chính gồm có C1, L1 và
các tiristor phụ T5, T8 dùng để khoá 2 van T1, T4, còn C2, L2 và các tiristor phụ T6, T7
dùng để khoá 2 van T2, T3.
Nguyên lý làm việc
Hình 5.9
it I
t
u®kT5
t0
t3 t2
t1 t0
t
0
0
uC1
0
0
0
0
t
iT5=iC
1
iT1
iD11
I
I
I
t
t
t
t
tkh t
0
iD44
0
uT1 uT1
uD1
Ud
Ta giả thiết tải có điện cảm khá lớn nên trong khoảng chuyển mạch dòng tải coi như
không thay đổi và bằng I. Ta sẽ nghiên cứu quá trình khoá T1. Giả thiết BBĐ đang làm
việc bình thường, 2 van T1 và T2 đang
dẫn dòng, tụ điện C1 và C2 đã được
nạp đầy với cực tính như trên sơ đồ
hình 4-8.
Tại thời điểm t=t0 ta cần khoá
các van T1, T2. Để khoá T1 ta truyền
tín hiệu điều khiển đến van T5 làm cho
T5 mở. Van T5 mở thì tụ điện C1 bắt
đầu phóng điện. Trong giai đoạn đầu
dòng phóng của tụ đi qua tải, như đã
giả thiết là dòng qua tải trong khoảng
chuyển mạch không thay đổi và bằng
I nên dòng phóng của tụ tăng thì dòng
qua T1 giảm và đến t=t1 thì iC1=I, van
T1 khoá lại (vì dòng qua nó bằng
không và có xu hướng đổi chiều).
Dòng của tụ tiếp tục tăng và một phần
được khép qua D11 (hình 5.9). Khi
điện áp trên tụ đổi chiều thì dòng qua
tụ C1 và van T5 sẽ giảm dần. Tại t=t2
thì iC1=I và sau đó sẽ nhỏ hơn dẫn đến
D44 mở và một phần dòng tải đi qua
D44, bây giờ mạch C1-L1 được nối trực
tiếp vào nguồn điện một chiều và dẫn
đến điện áp trên C1 sẽ vượt quá giá trị
Ud. Sự chuyển mạch sẽ kết thúc khi dòng qua tụ C1 và T5 giảm về bằng không và có xu
hướng đổi chiều, tiristor phụ T5 sẽ khoá lại (thời điểm t=t3), dòng tải sẽ khép hoàn toàn
qua diode D44 dưới tác dụng của s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong điện cảm phụ tải Lt cho
đến khi năng lượng tích luỹ trong Lt được giải phóng hết. Quá trình chuyển mạch các
van khác trong sơ đồ cũng tương tự như đối với van T1.
V.2.2 Nghịch lưu dòng điện một pha
V.2.2.1 Nguyên tắc khống chế
-
+
T3 T1
ut
it B A Ud
Id L0
Lt Rt
T2
T¶i
T4
it
Id
Id
0 2T T T/2 t
0 (4) (3) (2) () (t)
Hình 5.10
Sơ đồ BBĐ chưa có thiết bị chuyển mạch như hình 5.10. Trong sơ đồ này thì các
tiristor chính T1T4 làm nhiệm vụ biến đổi dòng một chiều Id thành dòng xoay chiều it,
để tạo ra nguồn có đặc trưng nguồn dòng điện ta mắc nối tiếp với mạch nguồn một
điện cảm lớn L0, tải của BBĐ có thể là thuần trở hoặc điện trở điện cảm hoặc có thêm
điện dung, ở đây ta nghiên cứu với loại phụ tải phổ biến nhất là tải điện trở điện cảm
(Rt-Lt).
Nguyên tắc khống chế
Để tạo ra dòng điện xoay chiều trên phụ tải người ta khống chế 2 cặp van T1, T2 và T3,
T4 làm việc lệch nhau một nửa chu kỳ (tức là lệch nhau 1800 điện). Ví dụ từ
t=0t=T/2 (t=0t=) ta khống chế mở T1, T2 và khoá T3, T4, do vậy trong mạch sẽ
có dòng điện đi theo đường (+Ud) - L0 - T1 - tải - T2 - (-Ud), ta có : it=Id; từ t=T/2t=T
(t=t=2) thì ta khống chế khoá T1, T2 và mở T3, T4, nên trong mạch sẽ có dòng
điện đi theo đường (+Ud) - L0 - T3 - tải - T4 - (-Ud) và trong khoảng này ta có: it = -Id.
Các chu kỳ tiếp theo sơ đồ làm việc tương tự. Ta có đồ thị dòng tải như hình 5.11.
Hình 5.11
Từ đồ thị dòng tải ta thấy rằng dòng tải là dòng xoay chiều không hình sin, với sóng
hài bậc nhất dòng điện có tần số bằng tần số khống chế BBĐ (tần số khống chế các
van) và các thành phần sóng hài bậc cao. Việc xác định điện áp trên tải có thể ứng
dụng nguyên lý xếp chồng : ut = u1+un , trong đó u1 là thành phần sóng hài bậc nhất
của điện áp trên tải, un là thành phần sóng hài bậc n (n>1 và nguyên) của điện áp trên
tải.
**Chú ý: Do nguồn cung cấp là nguồn dòng điện một chiều nên dòng mạch nguồn
không đổi chiều, vì vậy nghịch lưu dòng thường không sử dụng các diode ngược.
Một số sơ đồ nghịch lưu dòng một pha có các phần tử chuyển mạch (có
mạch chuyển đổi).
a/- Sơ đồ dùng máy biến áp có điểm không (có trung tính)
-
+
(+) (-)
- +
T2 T1
BA
O
B
*
* *
W2
W12 W11
A Ud
C
Id L0
ut
it Lt Rt
T7
-
+
T3 T1
ut
it C1
- + - + Ud
Id L0
Lt Rt
T2
T¶i
T4
T5
T8 T6
C2
Hình 5.12
Sơ đồ BBĐ như hình 5.12. Trong sơ đồ chỉ sử dụng 2 tiristor T1 và T2. Mạch chuyển
đổi sử dụng tụ điện C mắc song song với các cuộn sơ cấp máy biến áp ra BA, cũng có
thể mắc tụ chuyển mạch song song với cuộn thứ cấp BA. Máy biến áp ra BA của BBĐ
có 2 cuộn sơ cấp có số vòng giống nhau và được đấu như trên sơ đồ. Nhờ sử dụng máy
biến áp có điểm không mà ta giảm được số van có điều khiển của BBĐ.
Nguyên lý chuyển mạch của BBĐ đổi như sau:
Ta giả thiết là van T1 đang làm việc, xuất hiện dòng điện đi theo vòng (+Ud) - 0 - W11 -
A - T1 - (-Ud). Trên mạch tải sẽ có nửa chu kỳ dương của dòng tải. Đồng thời với việc
T1 dẫn dòng sẽ có sự nạp điện cho tụ C bởi tổng điện áp trên 2 cuộn sơ cấp, trên C sẽ
có điện áp với cực tính như ghi trên sơ đồ ở ngoài dấu ngoặc. Tại thời điểm t=t0 nào đó
ta cần khoá T1 và mở T2 để tạo ra nửa chu kỳ âm của dòng tải, ta truyền xung điều
khiển đến T2, van T2 sẽ mở và tụ C phóng điện qua T2 và đặt toàn bộ điện áp trên nó
lên T1 với cực tính dương đặt vào katốt, tức là T1 bị đặt điện áp ngược nên khoá lại.
Tụ C sau khi phóng đến điện áp bằng không sẽ được nạp theo chiều ngược lại để
chuẩn bị cho quá trình khoá T2 khi ta mở T1 (tại t=t0+T/2).
b/- Sơ đồ sử dụng các tiristor phụ (hình 5.12)
Hình 5.13
Trong sơ đồ này ta sử dụng 4 tiristor phụ từ T5 đến T8 kết hợp với 2 tụ C1 và C2 để
đảm bảo quá trình chuyển mạch dòng điện của các tiristor chính T1T4 .
Nguyên lý chuyển mạch
Ta xét quá trình khoá T1 và T2. Giả thiết T1 và T2 đang dẫn dòng và do sự chuyển
mạch ở giai đoạn trước mà các tụ C1 và C2 đã được nạp điện với cực tính như hình vẽ.
Tại t=t0 ta cần khoá T1, T2 và mở T3, T4 ta truyền xung điều khiển đến mở T3, T4, T5,
T6. Hai van T5, T6 mở và các tụ C1, C2 sẽ phóng điện qua 2 van này - qua phụ tải - qua
nguồn cung cấp gây nên điện áp ngược trên T1 và T2, nên T1, T2 khoá lại. Khi dòng tải
giảm và có xu hướng đổi chiều thì T3 và T4 cùng dẫn dòng, các tụ sau khi phóng đến
điện áp bằng không sẽ được nạp theo chiều ngược lại đến điện áp bằng biên độ điện áp
trên tải thì dòng các tụ và các tiristor phụ bằng không và có xu hướng đổi chiều, các
tiristor phụ T5, T6 khoá lại, điện áp trên tụ được giữ nguyên (cực tính ngược với ghi
trên sơ đồ) để chuẩn bị cho quá trình khoá T3 và T4 khi ta mở T7, T8.
V.3 Nghịch lưu 3 pha
V.3.1 Nghịch lưu áp ba pha
V.3.1.1 Mạch động lực và quá trình khống chế
Để tạo ra điện áp xoay chiều ba pha từ một nguồn cung cấp một chiều ta có thể sử
dụng
Ba BBĐ điện áp một pha làm việc thứ tự lệch nhau 1/3 chu kỳ.
BBĐ điện áp ba pha.
Trường hợp đầu thì nguyên tắc khống chế và nguyên lý hoạt động của BBĐ
hoàn toàn tương tự như sơ đồ nghịch lưu điện áp một pha đã nghiên cứu, chỉ cần chú ý
đến việc đảm bảo cho ba sơ đồ nghịch lưu điện áp một pha làm việc với chu kỳ bằng
nhau và thứ tự làm việc lệch nhau đúng 1/3 chu kỳ. Phần này ta chỉ nghiên cứu nguyên
tắc tạo ra điện áp xoay chiều ba pha đối với sơ đồ nghịch lưu điện áp ba pha.
Có rất nhiều kiểu sơ đồ nghịch lưu điện áp ba pha và nguyên lý hoạt động của
các sơ đồ cũng khác nhau ít nhiều. ở đây ta sẽ nghiên cứu nguyên tắc hoạt động của
một sơ đồ nghịch lưu điện áp ba pha đặc trưng nhất và được sử dụng khá phổ biến, đó
là sơ đồ nghịch lưu điện áp ba pha mắc theo kiểu sơ đồ cầu còn được gọi là sơ đồ
Lariônôp (ta gọi tắt là nghịch lưu điện áp cầu ba pha). Sơ đồ mạch lực bộ nghịch lưu
này (còn thiếu mạch chuyển đổi) được biểu diễn trên hình 5.14. Trong sơ đồ này thì
các tiristor T1T6 là các tiristor chính, chúng làm nhiệm vụ biến đổi điện áp nguồn một
chiều Ud thành điện áp xoay chiều ba pha uA, uB, uC đặt lên phụ tải xoay chiều ba pha
ZA, ZB, ZC. Các van này hình thành hai nhóm van: Nhóm van Cathode chung (nhóm có
chỉ số chẵn) gồm T2, T4, T6; nhóm van anôt chung (nhóm có chỉ số lẻ) gồm T1, T3, T5.
Phụ tải ba pha trong trường hợp này nối hình sao (Y), cũng có thể nối phụ tải dạng tam
giác (). Trong sơ đồ này cũng sử dụng một cầu diode ngược gồm các van D11D66 để
chuyển trả năng lượng phản kháng từ tải về nguồn. Tụ C0 là khâu lọc, nó có tác dụng
tạo cho nguồn Ud có đặc trưng gần với nguồn điện áp lý tưởng để cung cấp cho BBĐ.
-
ZA
+
T1 D11
C0
T5
A
D55
Ud
uA
T4
C
D44 T2 D22
T3 D33
B
T6 D66
ZB uB ZC uC
t
t
t
t
t
t
u®kT1 t10 t9 t8 t7
t6 t5 t3 t4 t2 t1
u®kT2
u®kT3
T/6 u®kT4
u®kT5
u®kT6
T/6
T/6
T/6
T/6
T/6
Hình 5.14
Nguyên tắc khống chế
Để tạo ra điện áp xoay chiều ba pha trên phụ tải ba pha ZA, ZB, ZC ta thực hiện khống
chế các tiristor chính T1 T6 làm việc theo qui luật như sau :
Các van trong cùng một pha (pha A là T1, T4; pha B là T3, T6; pha C là T2, T5 )
làm việc lệch nhau một nửa chu kỳ, tức là lệch nhau 1800 điện.
Các van trong cùng một nhóm làm việc thứ tự lệch nhau 1/3 chu kỳ, tức là 1200
điện.
Từ các nguyên tắc nêu trên, nếu giả thiết chu kỳ làm việc của BBĐ là T và thời
điểm t=0 là thời điểm phát xung điều khiển mở van T1 thì qui luật xuất hiện tín hiệu
điều khiển trên các tiristor thứ tự theo biểu đồ trên hình 5.15.
Hình 5.15
Điện áp trên phụ tải của nghịch lưu điện áp ba pha
Để xác định điện áp trên phụ tải nghịch lưu điện áp ba pha người ta có thể sử dụng các
phương pháp khác nhau. Chính xác hơn cả là dựa vào khoảng dẫn dòng của mỗi van
trong một chu kỳ làm việc của BBĐ kết hợp với qui luật làm việc của các van như đã
nêu ở phần nguyên tắc khống chế. Cũng như các BBĐ khác, người ta gọi khoảng thời
gian dẫn dòng của mỗi van trong một chu kỳ làm việc của BBĐ là góc dẫn của van, ký
hiệu là . Trong phạm vi thời gian dẫn dòng của mỗi van trong một chu kỳT/3 (tức là
1200) thì ta có thể áp dụng các biểu thức được xây dựng sau đây.
Ta gọi điện áp giữa các điểm A,B,C so với điểm cực âm của nguồn cung cấp
một chiều là uA0 ,uB0 ,uC0 và điện áp trên các phụ tải ZA, ZB, ZC là uA, uB, uC; điện áp
dây phụ tải là uAB, uBC, uCA. Các điện áp uA0, uB0 ,uC0 được xác định như sau:
-uA0 =Ud khi T1 mở, uA0 =0 khi T4 mở, uA0 =Ud/2 khi T1, T4 cùng khoá
-uB0 =Ud khi T3 mở, uB0 =0 khi T6 mở, uB0 =Ud/2 khi T3, T6 cùng khoá
-uC0 =Ud khi T5 mở, uC0 =0 khi T2 mở, uC0 =Ud/2 khi T5, T2 cùng khoá
Ta có các phương trình:
uA+ uB + uC = 0 (5-20)
uAB = uA0 - uB0 (5-21a)
uBC = uB0 - uC0 (5-21b)
uCA = uC0 - uA0 (5-21c)
uAB = uA - uB (5-22a)
uBC = uB - uC (5-22b)
uCA = uC - uA (5-22c)
Giải hệ các phương trình này ta được :
uA = (2uA0 - uB0 - uC0)/3 (5-23a)
uB = (2uB0 - uA0 - uC0)/3 (5-23b)
uC = (2uC0 - uB0 - uA0)/3 (5-23c)
Các biểu thức (5-23) cho phép ta xác định điện áp trên phụ tải của sơ đồ nghịch
lưu điện áp ba pha khi biết góc dẫn của van. Đối với nghịch lưu điện áp thì góc dẫn
của van có thể thay đổi trong phạm vi rộng, giá trị góc dẫn cực đại khi không xét đến
thời gian chuyển mạch là: max=
V.3.1.2 Mạch chuyển đổi và khảo sát quá trình chuyển đổi
a/- Các sơ đồ nghịch lưu điện áp ba có cả mạch chuyển đổi
Các sơ đồ nghịch lưu áp ba pha với đầy đủ mạch chuyển đổi rất đa dạng, các kiểu
mạch chuyển đổi ở nghịch lưu điện áp một pha cũng hoàn toàn có thể sử dụng cho
nghịch lưu điện áp ba pha. Sau đây ta sẽ giới thiệu một trong các sơ đồ thường dùng.
Đó là sơ đồ với mạch chuyển đổi dùng các tiristor phụ:
Sơ đồ nguyên lý như hình 5.16, trong sơ đồ này ngoài các phần tử như trong sơ
đồ hình 5.14 đã giới thiệu, còn có thêm các phần tử chuyển mạch gồm: Các tiristor phụ
T7T12 và các mạch L1-C1, L2-C2, L3-C3. Nguyên lý hoạt động để khoá một van nào đó
trong sơ đồ hoàn toàn tương tự như trong sơ đồ một pha đã giới thiệu.
Ud
- ZA
+
T1 D11
C0
T5
A
D55
uA
T4
C
D44 T2 D22
T3 D33
B
T6 D66
ZB
uB
ZC
uC
T7
T8 T12 T10
T9 T11
L1
L3
L2
C1
C3
C2
-
ZA
+
T1 T5
Id L0
A
iA
Ud
uA
T4
C
T2
T3
B
T6
ZB uB ZC uC
iB iC
Hình 5.16
b/- Khảo sát quá trình chuyển đổi (tham khảo tài liệu)
V.3.2 Nghịch lưu dòng ba pha
V.3.2.1 Mạch động lực và nguyên tắc khống chế
Cũng tương tự như với nghịch lưu điện áp là ta có thể tạo ra hệ thống dòng điện xoay
chiều ba pha từ nguồn cung cấp là nguồn dòng một chiều bằng cách sử dụng ba BBĐ
một pha làm việc cùng tần số và thứ tự lệch nhau 1/3 chu kỳ hoặc dùng một BBĐ ba
pha. ở đây ta cũng sử dụng sơ đồ nghịch lưu mắc theo sơ đồ cầu ba pha để xét nguyên
tắc tạo ra hệ thống dòng xoay chiều ba pha. Sơ đồ BBĐ chưa có các phần tử chuyển
mạch như hình 5.17. Trong sơ đồ cũng sử dụng 6 tiristor phân làm 2 nhóm van như
nghịch lưu áp, để cho nguồn cung cấp có đặc trưng nguồn dòng ta mắc nối tiếp với
nguồn điện cảm lớn L0, trong sơ đồ này ta mắc tải dạng hình sao (Y).
Hình 5.17
iA
0 t
2 7/3 5/3 4/3 2/3
Id
/3 iB
0 t
2 7/3 5/3 4/3 2/3 Id
iA
0 t
2 7/3 5/3 4/3 2/3
Id
/3
Hình 5.18
Nguyên tắc khống chế:
Hoàn toàn tương tự trường hợp nghịch lưu điện áp ba pha, đồ thị xung điều khiển các
van cũng tuân theo qui luật như hình 5.15.
Do đặc điểm là dòng nguồn liên tục và không đổi, liên hệ với sự hoạt động của
sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha khi dòng mạch một chiều (tải) là liên tục thì mỗi van trong
một chu kỳ chỉ dẫn dòng một khoảng thời gian bằng 1/3 chu kỳ ta suy ra : Trong sơ đồ
nghịch lưu dòng cầu ba pha thì mỗi van trong sơ đồ chỉ dẫn dòng một khoảng thời gian
bằng 1/3 chu kỳ của dòng điện ra trên tải, tức là góc dẫn của mỗi van là : =2/3
Từ đó ta có đồ thị dòng tải của bộ biến đổi như hình 5.18. Dòng qua tải là dòng
điện xoay chiều không hình sin và có phổ sóng hài giống như trường hợp dòng điện
qua lưới điện khi sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha làm việc với tải có Ld.
V.3.2.2 Mạch chuyển đổi và khảo sát quá trình chuyển đổi
a/- Một số sơ đồ nghịch lưu dòng ba pha có các phần tử chuyển mạch
(có mạch chuyển đổi)
Cũng như nghịch lưu áp ba pha, nghịch lưu dòng ba pha có rất nhiều dạng mạch
chuyển đổi khác nhau. Sau đây ta sẽ xét vài sơ đồ trong số đó.
a/- Sơ đồ chuyển mạch bằng tụ có sử dụng các điốt ngăn cách
Sơ đồ BBĐ như hình
5.19, trong đó để
chuyển mạch dòng
nhóm van anôt chung
ta sử dụng các tụ C13,
C15, C35, còn để
chuyển mạch các van
nhóm Cathode chung
ta sử dụng các tụ C24,
C26, C46. Các điốt D1
D6 có tác dụng ngăn
-
+
T1
Id L0
+ - + -
+ -
A
iA
Ud
T4
D1
D4
C1
5
C13 C35
B C
C24 C26 C46
ZA
uA
ZB
uB
ZC
uC
iB
iC
T3
T6
D3
D6
T5
T2
D5
D2
Hình 5.19
cách dòng phóng của tụ với tải để giảm nhỏ ảnh hưởng của tải tới thời gian phục hồi
tính chất điều khiển của các tiristor từ T1 T6 .
Nguyên lý chuyển mạch
Ta giả thiết rằng van T1 và T2 đang làm việc, ở thời điểm t=t0 ta cần khoá T1 và mở T3.
Khi T1 dẫn dòng thì tụ C13, C35 và C15 được nạp điện với cực tính điện áp trên các tụ
như ghi trên sơ đồ. Tại t=t0 ta truyền xung điều khiển đến T3 và quá trình chuyển mạch
dòng điện từ T1 sang T3 diễn ra qua các giai đoạn như sau:
Giai đoạn 1:
Các tụ C13, C15, C35 phóng và nạp theo mạch vòng như hình 5.20, lúc này tụ C15 được
xem như mắc nối tiếp với tụ C35 và chúng lại mắc song song với tụ C13, toàn bộ được
xem như là một tụ tương đương có điện dung bằng 2/3 điện dung mỗi tụ [Ctđ=(2/3)C].
Tụ tương đương phóng điện theo mạch vòng Ctđ - D1 - ZA - ZC - D2 - T2 - Ud - L0 - T3 -
Ctđ. Sự phóng điện của các tụ qua T3 tạo nên điện áp ngược trên tiristor T1 làm cho
T1 khoá lại. Sơ đồ tương đương của giai đoạn này có thể biểu diễn lại như trên hình
5.21. Trong giai đoạn này dòng tải
pha A vẫn tiếp tục được duy trì,
điện áp trên các tụ đang tạo nên
điện áp ngược trên D3 và D3 chưa
làm việc, do vậy chưa có dòng qua
tải pha B.
Giai đoạn 2:
Lúc này điện áp các tụ thay đổi nhỏ
hơn điện áp pha A nên D3 bắt đầu
được phân cực thuận và dẫn dòng,
mặt khác dòng qua D1 và ZA vẫn còn, sơ đồ tương đương của giai đoạn này như trên
hình 5.22. Trong giai đoạn này các tụ tiếp tục phóng và sau đó được nạp ngược lại cho
đến đầy, khi dòng tải pha A giảm về bằng không thì quá trình chuyển mạch dòng từ
pha A sang pha B kết thúc. Quá trình khoá các van khác diễn ra tương tự.
b/-
Sơ
đồ
ch
uy
ển
mạch nhóm
Sơ đồ BBĐ như hình 5.23, ngoài các
phần tử như đã nêu trong sơ đồ còn có
2 tiristor phụ T7, T8 và tụ điện Ccm là
các phần tử chuyển mạch.
Nguyên lý chuyển mạch :
-
+
T1
Id L0
+ - + -
+ -
A
iA Ud
D1 C15
C13 C35
C
ZA
uA
ZC
uC
iC
T3
T2
D2
Hình 5.20
Hình 5.22
-
+ Id L0 + - iA
Ud
D1
Ct®
ZA
uA
ZC
uC
iC
T3
T2 D2
iB D3 ZB
uB
-
+ Id L0 + - iA
Ud
D1
Ct® ZA
uA
ZC
uC
iC
T3
T2 D2
Hình 5.21
-
ZA
+
T1 T5
Id
+ -
L0
A
iA
Ud
uA
T4
C
T2
T3
B
T6
ZB uB ZC uC
iB iC
T7
T8
Cc
m
Hình 5.23
=max= <max=
Giả thiết trong sơ đồ đang có 2 van nào đó làm việc, ví dụ T1 và T2, tụ chuyển mạch
Ccm đã được nạp điện như trên hình vẽ với điện áp lớn hơn điện áp một pha phụ tải.
Tại thời điểm cần khoá T1 ta truyền xung điều khiển đến T7 dẫn đến T7 mở. Van T7 thì
mở tụ Ccm phóng điện qua ZC - T2 - nguồn - L0 - T7 và quay về Ccm, do uCcm>uA nên T1
bị đặt điện áp ngược và khoá lại. Sau khi phóng đến điện áp bằng không thì tụ Ccm sẽ
được nạp ngược lại để chuẩn bị cho việc khoá T2 khi ta mở T8. Quá trình các khoảng
tiếp sau diễn ra tương tự.
V.3.2.3 Mạch điều khiển nghịch lưu 3 pha (tham khảo tài liệu)
V.4 Một số phương pháp nâng cao chất lượng điện áp ra của nghịch lưu áp
V.4.1 Điều chỉnh điện áp ra nghịch lưu
Các phụ tải của nghịch lưu, nhất là các động cơ xoay chiều không đồng bộ thường có
sự đòi hỏi phải thay đổi giá trị điện áp theo tần số với một số qui luật nhất định nào đó
thì mới đảm bảo chất lượng. Do vậy một vấn đề đặt ra là ta phải điều chỉnh được điện
áp ra của nghịch lưu. Các nghiên cứu đã đưa ra nhiều biện pháp khác nhau, phổ biến
nhất là điều chỉnh điện áp vào nghịch lưu, điều chỉnh góc dẫn của van và điều chế
xung từng nấc.
a/- Thay đổi điện áp cung cấp cho nghịch lưu
Đây là một biện pháp tương đối đơn giản nhưng cho kết quả khá tốt. Để điều chỉnh giá
trị điện áp trên tải ta cho các van làm việc với góc dẫn lớn nhất =max= và điều
chỉnh giá trị điện áp cung cấp Ud nhờ việc sử dụng sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển để
tạo điện áp nguồn cho BBĐ một chiều-xoay chiều. Do góc dẫn của van vẫn bằng 1800
nên thành phần sóng hài điện áp vẫn không thay đổi.
b/- Thay đổi góc dẫn của van
Trong trường hợp này để thay đổi điện áp ra nghịch lưu ta không thay đổi giá
Hình 5.24
trị điện áp nguồn mà điều chỉnh góc dẫn của van, đồ thị hình 5.24 minh hoạ trường
hợp vừa nêu.
c/- Điều chỉnh xung từng nấc
Trong trường hợp này để thay đổi điện áp ra nghịch lưu người ta khống chế cho mỗi
van mở khoá nhiều lần trong mỗi chu kỳ vừa để điều chỉnh điện áp ra đồng thời khi
kết hợp với việc điều chế độ rộng xung ta cải thiện được chất lượng điện áp trên tải.
Đồ thị hình 4-14 minh hoạ phương pháp điều chỉnh này
u
T/2
T
t
-
+
Ud
ur1
T3a
T2a
T1a
BA3 BA2 BA1
T4a
D3a
D4a
D1a
C0
D2a
T3b
T2b
T1b
T4b
D3b
D4b
D1b
D2b
T3c
T2c
T1c
T4c
D3c
D4c
D1c
D2c
ura
ur3 ur2
Hình 5.25
V.4.2 Nâng cao chất lượng điện áp ra
Nếu đường cong điện áp trên tải là các xung hình chữ nhật có độ dài giống nhau trong
mỗi nửa chu kỳ thì các sóng hài bậc cao trong đường cong điện áp sẽ có biên độ đáng
kể so với thành phần sóng hài bậc nhất. Điều này sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến sự làm
việc của phụ tải BBĐ. Để cải thiện chất lượng điện áp ra ta phải tìm cách giảm nhỏ các
sóng hài bậc cao hoặc tốt nhất là làm triệt tiêu được các sóng hài tần số thấp trong các
sóng hài bậc cao. Người ta đã tìm ra nhiều phương pháp để nâng cao chất lượng điện
áp ra nghịch lưu. Sau đây ta xét một số phương pháp đó.
a/- Điều chế độ rộng xung
Nội dung của phương pháp này là: Trong một nửa chu kỳ người ta khống chế cho mỗi
van làm việc nhiều lần để có nhiều xung điện áp trên tải và người ta điều chế sao cho
độ dài các xung thay đổi theo một qui luật định trước nào đó, thường là qui luật hàm
sin. Với trường hợp nay thì độ dài các xung ở đầu và cuối mỗi nửa chu kỳ là nhỏ nhất
và nó tăng dần khi càng tiến đến giữa nửa chu kỳ (đỉnh của hình sin).Đồ thị hình 5.26
minh hoạ nội dung phương pháp này.
Hình 5.26
b/- Dùng phương pháp cộng điện áp của nhiều sơ đồ nghịch lưu cùng tần số và có
góc dẫn khác nhau
ur1
t
7/3 2 5/3 4/3 2/3 /3
2/3
/6
/3
a
ur2
t
ur3
t
ura
t
b
c
d
Hình 5.27
Hình 5.28
Trong sơ đồ hình 2.27ta sử dụng 3 sơ đồ nghịch lưu điện áp một pha, phụ tải ghép với
BBĐ qua các máy biến áp BA1, BA2, BA3. Các sơ đồ nghịch lưu được khống chế làm
việc cùng tần số nhưng góc dẫn khác nhau và thời điểm mở của các van tương ứng
cũng lệch nhau một góc tuỳ thuộc góc dẫn. Đồ thị hình 5.28 nêu lên trường hợp:
Góc dẫn BBĐ1 là 1= , góc dẫn BBĐ2 là 2= 2/3, góc dẫn BBĐ2 là 3= /3.
Van T1b mở chậm hơn T1a một góc bằng /6, van T1c mở chậm hơn T1b một góc
bằng /6.
Kết quả là ta có điện áp trên tải ut =u1 + u2 +u3 có dạng như đồ thị hình 5.28d,
đường cong này có tỉ lệ biên độ các sóng hài bậc cao so với sóng hài bậc nhất giảm đi
rất nhiều so với dạng điện áp hình chữ nhật.
V.5. Nghịch lưu
cộng hưởng
V.5.1. Khái niệm
chung
Như đã nêu trong
phần thứ nhất của
chương này, nghịch
lưu cộng hưởng là
một BBĐ một
B
Ct2
Lt
Rt
A Ct1
e
B A Lt Rt Ct
a
Ct1 Ct2
B
Lt Rt
A d
B
Ct
Lt
Rt
A
c
Ct
B
Lt Rt
A b
Hình 5.29
-
H×nh 5.30 +
T3 T1
uCt
ut
it A B Ud C0
Lt Rt
T2
T¶i
T4
Ct
D11
D44
D33
D22
chiều-xoay chiều nguồn có đặc trưng bất kỳ nhưng tải phải dao động cộng hưởng với
tần số lớn hơn tần số làm việc của BBĐ. Khi nguồn cung cấp là dạng nguồn áp người
gọi là nghịch lưu cộng hưởng có đầu vào hở, còn khi nguồn cung cấp là dạng nguồn
dòng người gọi là nghịch lưu cộng hưởng có đầu vào kín. Chính sự dao động cộng
hưởng của phụ tải làm ngắt dòng qua van làm cho van khoá nên trong các sơ đồ BBĐ
này không phải sử dụng các phần tử chuyển mạch như nghịch lưu áp hoặc dòng đã
nghiên cứu. Để mạch tải có tính chất dao động cộng hưởng người ta có thể sử dụng
các phần tử R-L-C mắc theo các sơ đồ khác nhau và BBĐ thường được phân loại theo
cách mắc mạch tải:
Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp : có các phần tử phụ tải mắc nối tiếp theo sơ
đồ hình 5.29a.
Nghịch lưu cộng hưởng song song: có các phần tử phụ tải mắc song song theo
sơ đồ hình 5.29b và 5.29c.
Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp-song song: có các phần tử phụ tải mắc theo sơ
đồ hình 5.29d và 5.29e.
V.5.2 Nghịch lưu cộng hưởng nguồn áp
a/- Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ một BBĐ
biểu diễn trên hình 4-30, trong sơ đồ này ta có:
Các tiristor T1T4 dùng để biến đổi năng lượng điện một chiều của nguồn thành
năng lượng điện xoay chiều trên phụ tải gồm 3 phần tử là Rt, Lt và Ct, giá trị của các
phần tử phụ tải được lựa chọn sao cho chúng có tính chất dao động cộng hưởng với tần
số cộng hưởng f0>f là tần số làm việc của BBĐ. Ta có f0=0/2 và f=/2 (hay
=2f), và giá trị 0 được xác định theo công thức sau:
2 2
0 * b với * t tω 1/ L .C và b=Rt/(2Lt)
Trong sơ đồ còn sử dụng các diode ngược D11D44 để trả năng lượng phản
kháng từ tải về nguồn.
b/- Nguyên lý làm việc
Đối với BBĐ này thì tuỳ theo quan hệ giữa f và f0 mà có thể xẩy ra 2 chế độ khác nhau
của dòng tải: Chế độ dòng tải gián đoạn và chế độ dòng tải liên tục.
Chế độ dòng tải gián đoạn:
t
t
t
t
t
t
iD1 iD2
uT1 uT2
u®kT
2 3 t
t
6 5 0
it
0
0
0
0
0
iT1 iT2
2
1
4
3 6
t
t
t
2 4 3 6
4 3
Ud
t
uC
u®kT
2 2 3 0
it
0
0
0
0
0
1
2
1 3 2
iD1 iD2
uT1 uT2
Ud
uC
a b
T
D
Chế độ làm việc này của BBĐ xẩy ra khi f0>2f. Nguyên lý làm việc của sơ đồ trong
trường hợp này như sau: Giả thiết rằng tại t=0 ta truyền xung điều khiển đến mở T1
và T2, hai van này mở và bắt đầu dẫn dòng và bắt đầu xuất hiện quá trình dao động
trong mạch. Dòng qua tải tăng từ không (do chế độ dòng tải là gián đoạn nên tại thời
điểm mở một cặp van có điều khiển thì dòng tải đang bằng không) đến giá trị cực đại
rồi giảm về bằng không tại t=t1=1 (ta có 0t1= ) và bắt đầu đổi chiều. Do các van
không cho dòng đi ngược chiều nên T1 và T2 tự khoá lại, dòng tải sẽ khép kín qua các
diode ngược D11, D22 và qua nguồn cung cấp. Đến t=t2 =2 =2t1 (ta có 0t2=2 )
thì dòng tải lại bằng không và có xu hướng đổi chiều nên D11, D22 khoá lại.
Hình 5.31
Mặt khác các tiristor T1, T2 đã khoá từ trước nên dòng tải sẽ giữ bằng không. Tại thời
điểm t= thì ta truyền xung điều khiển đến mở T3 và T4, hai van này sẽ mở và quá
trình dao động của dòng mạch tải lại bắt đầu. Trên hình 5.31a biểu diễn một số đồ thị
minh hoạ nguyên lý hoạt động của sơ đồ trong chế độ dòng tải gián đoạn.
-
+
T3 T1
it A B Ud
Id L0
Lt
Rt
T2 T4
uCt
Ct
Góc dẫn của các diode bằng góc dẫn của các tiristor (ký hiệu là ). Góc khoá van
trong trường hợp này là: = hay thời gian khoá của tiristor là tk=/ =/0 .
Chế độ dòng điện tải liên tục:
Khi BBĐ làm việc với tần số cộng hưởng f0 thoả mãn :f<f0<2f thì dòng qua tải là liên
tục. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ như sau:
Giả thiết tại t=0 ta truyền xung điều khiển đến mở T1 và T2, hai van này mở
và bắt đầu dẫn dòng và bắt đầu xuất hiện quá trình dao động trong mạch. Dòng qua tải
tăng từ I0 (do chế độ dòng tải là liên tục nên tại thời điểm mở một cặp van có điều
khiển thì dòng tải đang có một giá trị nào đó mà ta ký hiệu là I0) đến giá trị cực đại rồi
giảm về bằng không tại t=t1=1 và bắt đầu đổi chiều. Do các van không cho dòng đi
ngược chiều nên T1 và T2 tự khoá lại, dòng tải sẽ khép kín qua các diode ngược D11,
D22 và qua nguồn cung cấp. Đến thời điểm t= thì dòng tải bằng -I0, ta truyền xung
điều khiển đến mở T3 và T4, hai van này sẽ mở, dòng tải sẽ chuyển vào các tiristor T3,
T4 và quá trình dao động của dòng mạch tải lại bắt đầu. Trên hình 5.31b biểu diễn một
số đồ thị minh hoạ nguyên lý hoạt động của sơ đồ trong chế độ dòng tải gián đoạn.
Trong trường hợp này điện áp trên tụ Ct có dạng hình sin, góc dẫn của các tiristor khác
góc dẫn của diode (T D). Góc khoá van trong trường hợp này là: =D. Trong
trường hợp này ta thấy rằng tốc độ tăng của dòng qua tiristor khi mở là rất lớn.
Các sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng nguồn cung cấp là nguồn áp và có diode
ngược có thể mắc mạch tải theo tất cả các kiểu (nối tiếp; song song; nối tiếp-song
song). Ưu điểm của sơ đồ này là điện áp ngược trên các tiristor nhỏ. Nhưng có nhược
điểm là tốc độ tăng của dòng qua tiristor trong chế độ dòng liên tục rất lớn.
V.5.3 Nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng.
V.5.3.1 Sơ đồ nguyên lý (hình 5.32)
Hình 5.32
Trên sơ đồ hình 5.32 là một bộ nghịch lưu cộng hưởng song song nguồn cung cấp
dạng nguồn dòng. Điện cảm L0 trong trường hợp này nhỏ hơn rất nhiều so với nghịch
lưu dòng điện. Tần số cộng hưởng của mạch được xác định theo biểu thức sau:
L0+Lt 1
0= -
L0.Lt.Ct 4.Rt2.Ct
2
t
t
it
t 2 t
§êng nÐt ®øt lµ
sãng hµi bËc nhÊt
dßng t¶i
t 4 0 2 t 1
uCt=ut
t
1
0
uT1
='
t
2 1
Ud 0
uL0
t t 4 0
2 t 1
it
t 4 0
2 t 1
uT1=uT2
t 4
0 2 t 1
a b
V.5.3.2 Nguyên lý làm việc
Hình 5.33
Giả thiết tại t=0 ta truyền xung điều khiển mở 2 van T1 và T2 (trước đó dòng tổng
mạch tải it=0 (xem sơ đồ và đồ thị). Hai van T1, T2 mở và trong sơ đồ xẩy ra dao động
cộng hưởng. Dòng qua các tiristor thay đổi theo biểu thức :
iT1=iT2=Im.sin0t.
Đến t=t1=1 (tương ứng ta có t1=/0) thì dòng các van bằng không và có xu
hướng đổi chiều nên các tiristor khoá lại, it=0, các van T1, T2 được đặt điện áp ngược
bởi điện áp trên tụ và phục hồi tính chất điều khiển. Điện áp trênT1, T2 lúc này bằng:
uT1= uT2 = (Ud-ut)/2 = (Ud-uCt)/2. Trong giai đoạn các tiristor đều khoá (từ t=t1=1
đến t=t3=) thì tụ Ct vẫn tiếp tục phóng điện qua Lt và Rt nên điện áp trên nó giảm
dần, do vậy điện áp ngược trên T1, T2 cũng giảm dần. Phụ thuộc vào thông số phụ tải
mà có thể xẩy ra:
Điện áp trên Ct giảm chậm, hoặc giai đoạn t1t3 ngắn nên uT1=uT2 vẫn mang
giá trị âm trước khi mở T3, T4 (hình 5.33a).
Điện áp trên Ct giảm nhanh, hoặc giai đoạn t1t3 dài nên uT1=uT2 sẽ chuyển
sang dương trước khi mở T3, T4 (hình 5.33b).
Tại t=t3= ta truyền xung điều khiển đến mở T3, T4, hai van này mở, xuất
hiện dòng tải tổng theo chiều ngược lại. Quá trình dao động trong mạch ở giai đoạn
này cũng tương tự như nửa chu kỳ trước. Khi hai van T3 và T4 mở thì điện áp trên T1
và T2 sẽ là : uT1= uT2 =-ut =-uCt. Để phân tích một cách tương đối chính xác sự làm việc
của BBĐ này là tương đối phức tạp, ở một mức độ nhất định ta giả thiết điện áp trên tụ
Ct, tức là điện áp trên tải biến thiên theo qui luật hình sin (tức là chỉ tính đến sóng hài
bậc nhất của điện áp trên tải) thì ta có đồ thị minh hoạ nguyên lý làm việc của sơ đồ
như hình 5.33.
Góc dẫn của mỗi tiristor: =(/0).
Góc khoá của mỗi tiristor:
Trường hợp tương ứng với hình 5.33a: =1+2=1+(-)/2
Trường hợp tương ứng với hình 5.33a: ='=1+(-)/2-arsin(Ud/Utmax).
Trong đó: 1 là góc lệch pha của sóng hài bậc nhất dòng và áp trên tải; Utmax là
biên độ điện áp trên tải; Ut là giá trị hiệu dụng điện áp trên tải.
Giá trị lớn nhất của điện áp trên các tiristor theo chiều thuận và ngược là:
UTthmax= 2 .Ut
UTngmax= 2 .Ut.sin2.
Q 2
1
NOT
1
OR
2
OR
1 3
4
P
Tr2
Tr1
TÝn hiÖu khèng chÕ chiÒu dßng ukc
UIt
UIn
R6
H×nh-
P1
NOT
2
NOT
2
C1
D1
R1 R3 R5
C2
D2
R2 R4
Phụ lục
P1.-Một số mạch lôgic đảo chiều khi điều khiển riêng rẽ BBĐ xoay chiều-một
chiều (chỉnh lưu) có đảo dòng
P1.1- Mạch thứ nhất
P1.1.1-Sơ đồ
Trong sơ đồ hình-P1 ta sử dụng một số phần tử lôgic bán dẫn và các transitor để
khống chế tự động quá trình phát xung điều khiển cho hai bộ chỉnh lưu khi ngừng
cũng như khi đảo chiều. Các tín hiệu vào gồm có tín hiệu báo trạng thái dẫn dòng của
hai sơ đồ chỉnh lưu là UIt và UIn cho biết có sơ đồ nào đang làm việc hay không. Ví dụ
: Khi bộ chỉnh lưu thuận đang làm việc thì các van bộ thuận đang có dòng điện, lúc đó
UIt có mức lôgic 1; còn khi bộ thuận không làm việc thì UIt sẽ có mức lôgic không (0).
Với tín hiệu báo trạng thái bộ chỉnh lưu ngược là UIn cũng tương tự như vậy. Tín hiệu
khống chế chiều dòng trên tải ukc là tín hiệu quyết định cho phép phát xung điều khiển
cho bộ chỉnh lưu ngược hay thuận. ở đây ta đặt: Khi ukc có mức 1 (dương) thì cho phép
phát xung cho bộ chỉnh lưu thuận, còn khi ukc có mức lôgic 0 (tức là ukc 0, kể cả âm )
thì cho phép phát xung cho bộ chỉnh lưu ngược. Tín hiệu ra của mạch là P và Q. Nếu P
có mức 1 thì bộ thuận có xung điều khiển, lúc đó Q phải có mức 0 và bộ ngược không
có xung điều khiển. Còn nếu Q có mức 1 thì bộ ngược có xung điều khiển và P bắt
buộc phải có mức lôgic 0 và bộ thuận không có xung điều khiển.
P1.1.2-Nguyên lý hoạt động
Xét một trường hợp cụ thể như sau: Giả sử bộ chỉnh lưu thuận đang làm việc (ukc>0),
P đang có mức lôgic 1. Tại t=t0 ta phát tín hiệu đảo chiều dòng, tức là chuyển ukc về
mức lôgic 0, điều đó sẽ làm cho tín hiệu đầu ra 1 chuyển về mức lôgic 0. Mặt khác
do có sự liên quan chặt chẽ giữa ukc và điện áp điều khiển mạch phát xung nên lúc này
xung điều khiển của bộ chỉnh lưu thuận sẽ ở một trong hai trường hợp: hoặc mất xung
hoặc có xung điều khiển với góc điều khiển góc điều khiển giới hạn của chế độ
chỉnh lưu nên sau một thời gian quá độ dòng điện chỉnh lưu bộ thuận sẽ giảm về bằng
không. Khi dòng bộ thuận vẫn còn thì đầu ra NOT3 vẫn có mức 0 và do vậy đầu ra 2
vẫn ở mức 0 nên Q vẫn giữ mức 0 vì UIn đang ở mức 0 và chưa phát xung cho bộ
ngược. Khi dòng bộ chỉnh lưu thuận giảm về bằng không thì UIt có mức 0, dẫn đến đầu
ra OR1 sẽ chuyển về mức 0 và P sẽ có mức 0, cắt xung bộ thuận, mặt khác lúc đó đầu
ra NOT3 sẽ có mức 1, dẫn đến đầu ra OR2 sẽ chuyển sang mức1. Khi đầu ra OR2
chuyển sang mức 1 thì một đầu vào của 3 có mức 1, đầu vào còn lại nối với cực góp
Tr2 mà ban đầu Tr2 đang mở nên nó đang có mức 0 do vậy Q vẫn có mức 0. Khi tụ C2
nạp đầy thì mất dòng cực gốc Tr2 nên transitor này khoá lại và trên cực góp của nó có
mức 1 lúc này Q mới chuyển sang mức 1 và mới cho phép phát xung điều khiển đến
các van của bộ chỉnh lưu ngược. Khoảng thời gian từ lúc đầu ra OR2 có mức 1 cho
đến lúc đầu ra 4 chuyển sang mức 1 là thời gian trễ cần thiết để các van bộ chỉnh lưu
thuận phục hồi tính chất điều khiển, đảm bảo sự làm việc an toàn cho BBĐ. Các diode
D1 và D2 dùng để tạo đường phóng điện cho các tụ khi cần.
P1.2- Mạch thứ hai
P1.2.1-Sơ đồ
Hình-P2 là sơ đồ một mạch lôgic đảo chiều cho trường hợp BBĐ sử dụng sơ đồ chỉnh
lưu tia hoặc cầu 3 pha (cũng có thể dùng cho các sơ đồ chỉnh lưu khác, lúc đó các tín
hiệu đo điện áp trên van sẽ khác đi). Trong sơ đồ này ta có các phần mạch điện đảm
nhận các chức năng khác nhau như sau:
Các photo-triac (TO1, TO2, TO3), các transitor Tr1 và Tr2, các cầu chỉnh lưu một
pha không điều khiển CL1,CL2,CL3 và các điện trở Ra, Rb, Rc, R2, R3, R4 là các
phần tử kiểm tra trạng thái của các van trong hai sơ đồ chỉnh lưu của BBĐ đảo
chiều. Chỉ khi các van không dẫn dòng thì Tr1 và Tr2 mới khoá và trên cực góp
của chúng mới có thể có mức lôgic 1. ngoài ra trong phần này còn có thêm một
số phần tử khác như tụ C1,C2, các diode D1,D2 mà chúng đóng vai trò như mạch
trễ có tính chọn lọc để đảm khống chế quá trình đảo chiều một các an toàn nhất.
Khuyếch đại thuật toán IC1 đảm bảo cho mức tín hiệu trên đầu ra của nó có đủ
mức lôgic 1 với mọi giá trị của của tín hiệu vào ukc âm (ukc<0).
Vi mạch lôgic IC2 gồm 4 mạch và đảo 2 đầu vào mắc như một trigơ D, nó kết
hợp với IC3 và IC4 thành mạch khống chế đảo chiều dòng tải BBĐ. Các tín hiệu
đầu vào gồm có:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
TÝn hiÖu b¸o cßn
xung lÊy tõ ®Çu ra
m¹ch so s¸nh hoÆc
söa xung ux1
TÝn hiÖu khèng
chÕ c¾t c¸c xung
tríc khi ®¶o chiÒu
TÝn hiÖu khèng
chÕ chiÒu dßng
t¶i ukc +
-
Tr2 Tr1
R2
D2
D1
C2 C1 R3
R4
R1
§Çu nèi chung cña mét nhãm
van
(Mét ®Çu cña ®iÖn ¸p chØnh
lu)
TO3
TO1
TO2
CL3
CL2
CL1
Rc
Rb
Ra
B
C
A
-Ucc +Ucc
IC4 IC3 IC2 P
Q IC1
H×nh-
P2 NO
T
Tín hiệu khống chế chiều dòng BBĐ là ukc, khi ukc <0 thì yêu cầu cho phép phát
xung cho bộ chỉnh lưu thuận, còn ngược lại khi ukc0 thì báo cho phép phát
xung cho bộ chỉnh lưu ngược.
Tín hiệu báo có xung ở đầu ra mạch sửa xung ux1, khi có xung thì ux1 có mức 1
và dẫn đến đầu ra mạch đảo NOT có mức 0 và chưa cho phép các đầu ra của
trigơ D(IC2) chuyển trạng thái, tức là chưa cho phép đảo chiều.
Tín hiệu báo trạng thái khoá của các van lấy từ cực góp các transitor, tín hiệu
này có hai mức : Tín hiệu báo trạng thái khoá của tất cả các van với thời gian
trễ nhỏ (gần như không trễ) mắc song song với tín hiệu báo mất xung( tín hiệu
đầu ra mạch đảo NOT),tín hiệu này được sử dụng để các xung cả hai bộ chỉnh
lưu( có thể cắt nguồn cung cấp hoặc khoá mạch so sánh hay sửa xung); tín hiệu
báo trạng thái khoá của tất cả các van với thời gian trễ đủ lớn để các tiristor
phục hồi tính chất điều khiển một cách chắc chắn, tín hiệu này mắc song song
với tín hiệu báo đã cắt xung qua diode D2, chỉ khi đủ cả 2 tín hiệu này mới có
thể cho phép đảo chiều.
Tín hiệu báo đã cắt xung tất cả các van lấy từ đầu ra của mạch và-đảo 12 của
IC4.
Các tín hiệu ra của mạch lôgic gồm hai tín hiệu chính là P và Q và hai tín hiệu
phụ là tín hiệu lệnh cắt xung đầu ra khối so sánh của tất cả các kênh phát xung, nó
được lấy tư đầu ra 10 của IC4 và tín hiệu thông báo đã cắt xung lấy từ đầu ra 12 của
IC4 như đã nêu. Các tín hiệu chín P và Q dùng để khống chế chiều dòng tải của BBĐ.
Khi P có mức 0 thì mạch phát xung cho bộ chỉnh lưu thuận làm việc (tất nhiên lúc đó
Q sẽ phải có mức 1), còn khi Q có mức 0 thì mạch phát xung cho bộ chỉnh lưu ngược
làm việc (tất nhiên lúc đó P sẽ phải có mức 1). Trong quá trình quá độ khi chuyển sự
làm việc từ bộ chỉnh lưu này sang bộ khác thì có một khoảng thời gian ngắn cả P và Q
đều có mức 1 và đó là lúc mạch phát lệnh ngừng phát xung cho cả hai bộ chỉnh lưu.
P1.2.2-Nguyên lý một quá trình khống chế đảo chiều
Giả sử BBĐ đang làm việc với dòng tải thuận (bộ chỉnh lưu thuận đang được cấp xung
điều khiển và làm việc), lúc đó ukc<0. Trong trường hợp đó đầu ra IC1 có mức 0, đầu
ra các mạch 3 và 7 có mức lôgic1, còn đầu ra các mạch 4 và 8 đều có mức lôgic
0 nên trên đầu ra P (đầu ra 9) có mức lôgic 0, tức là cho phép phát xung cho bộ chỉnh
lưu thuận; còn đầu ra Q (đầu ra 11) có mức lôgic 1 nên mạch phát xung cho bộ chỉnh
lưu thuận chưa hoạt động.
Tại một thời điểm nào đó ta cần đảo chiều dòng tải, ta đảo chiều tín hiệu điều khiển
dẫn 2 còn ở mức 0 thì các đầu ra của 3 và 4 chưa thay đổi trạng thái nên đến ukc sẽ
đổi dấu (ukc >0 ). Lúc đó tín hiệu đầu ra IC1 sẽ chuyển sang mức 0, tín hiệu này được
đưa vào một đầu 1 của trigơ D, lúc đầu ra của nó đang có mức 1 nên trên một đầu
vào 2 đang có mức 1. Khi trên đầu còn lại của đầu P vẫn có mức 0. Do sự thay đổi
dấu của tín hiệu điều khiển nên góc điều khiển của bộ chỉnh lưu thuận tăng lên rất lớn
làm cho dòng tải giảm về bằng không (do góc điều khiển vượt quá giá trị góc điều
khiển giới hạn của chế độ chỉnh lưu hoặc do s.đ.đ. phụ tải lớn hơn điện áp chỉnh lưu
trung bình), tức là dòng qua các van bộ chỉnh lưu thuận giảm về không và các van này
bắt đầu khoá lại, đẫn đến các transitor Tr1 và Tr2 khoá lại, trong khoảng thời gian giữa
2 xung liền nhau ở đầu ra các mạch sửa xung thì ux1=0 nên điện áp đầu ra mạch đảo có
mức 1. Khi đầu ra mạch đảo NOT có mức 1 và Tr1,Tr2 đẫ khoá thì trêncác đầu vào nối
chung của 1 và 2 sẽ có mức lôgic 1 dẫn đến đầu ra 2 chuyển sang mức 0, điều đó
đẫn đến đầu ra 4 có mức 1 còn đầu ra 3 chuyển về mức 0. Do đầu ra 3 chuyển về
mức 0 nên đầu ra P sẽ chuyển sang mức 1, cho lệnh cắt xung bộ chỉnh lưu thuận. Khi
thời gian còn nhỏ hơn thời gian trễ cần thiết thì tín hiệu ở điểm nối chung anôt hai
diode D1 và D2 còn ở mức 0 và Q vẫn ở mức 1. Trong khoảng thời gian đó đầu ra 10
có mức 0, đưa tín hiệu cắt xung đến mạch sửa xung, còn đầu ra 12 có mức 1 cho tín
hiệu báo cắt xung và tụ C2 được nạp dần. Khi điện áp trên C2 đạt giá trị mức 1 của các
mạch lôgic thì đầu ra Q bắt đầu chuyển về 0 và phát lệnh cấp xung cho bộ chỉnh lưu
ngược (tín hiệu mức 0 của Q cho phép dòng nguồn nuôi cho mạch khuếch đại xung bộ
ngược). Mạch sẽ tự duy trì trạng thái làm việc như vậy cho đến khi ta phát lệnh dừng
hoặc đảo chiều.
P2.-Tóm tắt một số đặc tính chủ yếu của các sơ đồ chỉnh lưu
ST
T
Tên sơ đồ chỉnh lưu Các biểu thức chủ yếu Ghi chú
(A) (B) (C) (D)
1 Sơ đồ chỉnh lưu hình
tia một pha có diode
không
Udo=( 2 /).U2 ; Ud=Udo.(1+cos)/2
ITtb=Id.(-)/2; ITtbmax= Id/2
IDotb=Id.(+)/2; IDotbmax = Id
UTthmax= 2 .U2 ; UTngmax= 2 .U2
UDongmax= 2 .U2
2 Sơ đồ chỉnh lưu hình
tia hai pha
Udo=(2 2 /).U2; Ud=Udo. cos
ITtb=Id/2; ITtbmax= Id/2
UTthmax=2 2 .U2; UTngmax=2 2 .U2
3 Sơ đồ chỉnh lưu hình
tia hai pha có diode
không
Udo=(2 2 /).U2; Ud=Udo.(1+cos)/2
ITtb=Id.(-)/2; ITtbmax= Id/2
IDotb=Id.(+)/2; IDotbmax = Id
UTthmax= 2 .U2; UTngmax=2 2 .U2
UDongmax= 2 .U2
4 Sơ đồ chỉnh lưu hình
tia ba pha
Udo=(3 6 /2).U2 ; Ud=Udo.cos
ITtb=Id/3; ITtbmax= Id/3
UTthmax= 6 .U2 ; UTngmax= 6 .U2
SttBA =(/3. 6 ).( 3 + 2 )Ud.Id
5 Sơ đồ chỉnh lưu hình
tia ba pha có diode
không
Udo=(3 6 /2).U2;
Ud=Udo.[1+cos(+300)]/ 3
ITtb=Id.(5/6-)/2; ITtbmax= Id/3
IDotb=Id.3.( -/6)/2; IDotbmax = Id
UTthmax= 2 .U2; UTngmax= 6 U2
UDongmax= 2 .U2
6 Sơ đồ chỉnh lưu hình
tia 6 pha
Udo=(3 2 /).U2 ; Ud=Udo. cos
ITtb=Id/6; ITtbmax= Id/6
7 Sơ đồ chỉnh lưu hình
tia 6 pha có cuộn
kháng cân bằng
Udo=(3 6 /2).U2; Ud=Udo.cos
ITtb=Id/6; ITtbmax= Id/6
UTthmax= 6 .U2; UTngmax= 6 U2
(A) (C) (D)
8 Sơ đồ chỉnh lưu hình
cầu một pha
Udo=(2 2 /).U2; Ud=Udo.cos
ITtb=Id /2; ITtbmax= Id/2
UTthmax= 2 .U2; UTngmax= 2 .U2
9 Sơ đồ chỉnh lưu hình
cầu 1 pha có diode
không
Udo=(2 2 /).U2; Ud=Udo.(1+cos)/2
ITtb=Id.(-)/2; ITtbmax= Id/2
IDotb=Id.(+)/2; IDotbmax = Id
UTthmax= 2 .U2; UTngmax= 2 .U2
UDongmax= 2 .U2
10 Sơ đồ chỉnh lưu hình
cầu 1 pha 2 diode, 2
tiristor, 2 diode ở 2
nhóm van
Udo=(2 2 /).U2; Ud=Udo.(1+cos)/2
ITtb=Id.(-)/2; ITtbmax= Id/2
IDtb=Id.(+)/2; IDotbmax = Id
UTthmax= 2 .U2; UTngmax= 2 .U2
UDngmax= 2 .U2
11 Sơ đồ chỉnh lưu hình
cầu 1 pha 2 diode, 2
tiristor, 2 diode ở
cùng nhóm van
Udo=(2 2 /).U2; Ud=Udo.(1+cos)/2
ITtb=Id /2 ; ITtbmax= Id/2
IDtb=Id/2 ; IDtbmax = Id/2
UTthmax= 2 .U2; UTngmax= 2 .U2
UDngmax= 2 .U2
12 Sơ đồ chỉnh lưu hình
cầu ba pha
Udo=(3 6 /).U2 ; Ud=Udo.cos
ITtb=Id/3; ITtbmax= Id/3
UTthmax= 6 .U2 ; UTngmax= 6 .U2
SttBA =(/3).Ud.Id 1,05.Pd
13 Sơ đồ chỉnh lưu hình
cầu ba pha dùng 3
diode và 3 tiristor
Udo=(3 6 /).U2; Ud=Udo.(1+cos)/2
UTthmax= 6 .U2 ; UTngmax= 6 .U2
UDngmax= 6 .U2
SttBA =(/3).Ud.Id 1,05.Pd