177
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG Bài giảng: ĐIỆN TCÔNG NGHIỆP (Tài liệu lưu hành nội b) Thái Nguyên, năm 2012

ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - ect.ictu.edu.vnect.ictu.edu.vn/attachments/article/215/Bai giang Dien tu cong nghiep.pdf · Phương pháp thứ hai, phương pháp được áp dụng

  • 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

+ 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

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

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/-

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