Downloaded 28 times
![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 T
P
R
, trong đó đơn vị tương ứng là: PT [w]; T [o
C]; RT [o
C/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 o
C [J];
- chênh lệch nhiệt độ giữa phần tử và môi trường [0
C]
Viết lại phương trình vi phân trên dưới dạng:
T
d
P 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
max
e
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
max1
1TP
2TP
T
Tj
Tv
Th
Ta
Rth(j-v) Rth(v-h) Rth(h-a)
Hình 1.41. Mô hình truyền nhiệt](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-32-320.jpg)
![ 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
di
LiR )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.](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-40-320.jpg)
![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
i
qe
(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 arctg
i
qe
(2-10)
Đây là biểu thức dòng tải dạng tương đối ở chế độ dòng liên tục.](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-41-320.jpg)
()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 U
q
U
q
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](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-42-320.jpg)
![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)](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-46-320.jpg)
![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](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-47-320.jpg)
![Hình 2.11: Đồ thị dòng điện lưới điện xoay
chiều
i1
i1
Id/kba0
2/3
2
/3
Id/kba0 t
2
t
t
/2
i1
Id/kba0
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:](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-49-320.jpg)
![1 [(2 3 ) / ].[(cos (1/ 5).cos5 (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.(/cos
2
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](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-50-320.jpg)
![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
2
U 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)](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-54-320.jpg)
![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
T2i22
ud
Ed
Ld Rd id
u1
u21
u22
Hình 2.16 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2
pha không có D0](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-55-320.jpg)
![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)](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-56-320.jpg)
![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
43Id
ud (nÐt ®Ëm)
2
Id
Id
Id
1
iT2=ib
0
2
4321
iT3=ic
0
2
4321
iDo
0
2
4321
uT1
uab uac
ua
0
2
4
32
1
t
7/35/3/3 2
u
0
ud
ucubua
43
21
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](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-64-320.jpg)
![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 600
100
và khi 900
1>600
và với (2/3-1) t (-2/3+1):
ICBtb=[ (3Umd)/ (2LCB)]. (sin+cos)
-Khi 900
1>600
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>900
, 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
300
600
900
1200
1500
1800
-
Ud1=Ud
-
1
-
-
1800
-
00
-
900
-
a
-
b
-
Hình 2.42](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-78-320.jpg)
![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
-
R2R
D
ucC
uraR1
uc
UEmax
u
t3t2't2t1'0 t1
Tck
0
UEmin
ura
t3t2't2t1't1
a b
Hình 2.67](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-104-320.jpg)
![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( ). ]t
i 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
BA
ung utT2
Hình 3.3](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-117-320.jpg)
![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](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-118-320.jpg)
![ 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](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-127-320.jpg)
![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).](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-128-320.jpg)
](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:](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-134-320.jpg)
![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](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-135-320.jpg)
![Trong đó: Lmin = C.Ud
2
/ ([ITmax] -It0)2
;
Lmax = tđmin
2
. 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](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-136-320.jpg)
![+Ucc =5-15 V
t
THTL
T
ura
a
b
R1
48
37
555
uraR2 6
52
C 1
C1
+Ucc
f1
Q
4044
102
4 5 6 14
f1
R Q
111
f2C
13 DSC3
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](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-138-320.jpg)
![ut it ut
Ud
Im
-Im
32 tt2 t4
t3t1
-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 :](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-150-320.jpg)
![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 t
at 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:](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-151-320.jpg)
![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(Imax
2
- I2
) (5-18)
Cân bằng năng lượng trong giai đoạn này ta có :
Wd = Wt + WL (5-19)](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-153-320.jpg)
![cách dòng phóng của tụ với tải để giảm nhỏ ảnh hưởng của tải tới thời gian phục hồi
tính chất điều khiển của các tiristor từ T1 T6 .
Nguyên lý chuyển mạch
Ta giả thiết rằng van T1 và T2 đang làm việc, ở thời điểm t=t0 ta cần khoá T1 và mở T3.
Khi T1 dẫn dòng thì tụ C13, C35 và C15 được nạp điện với cực tính điện áp trên các tụ
như ghi trên sơ đồ. Tại t=t0 ta truyền xung điều khiển đến T3 và quá trình chuyển mạch
dòng điện từ T1 sang T3 diễn ra qua các giai đoạn như sau:
Giai đoạn 1:
Các tụ C13, C15, C35 phóng và nạp theo mạch vòng như hình 5.20, lúc này tụ C15 được
xem như mắc nối tiếp với tụ C35 và chúng lại mắc song song với tụ C13, toàn bộ được
xem như là một tụ tương đương có điện dung bằng 2/3 điện dung mỗi tụ [Ctđ=(2/3)C].
Tụ tương đương phóng điện theo mạch vòng Ctđ - D1 - ZA - ZC - D2 - T2 - Ud - L0 - T3 -
Ctđ. Sự phóng điện của các tụ qua T3 tạo nên điện áp ngược trên tiristor T1 làm cho
T1 khoá lại. Sơ đồ tương đương của giai đoạn này có thể biểu diễn lại như trên hình
5.21. Trong giai đoạn này dòng tải
pha A vẫn tiếp tục được duy trì,
điện áp trên các tụ đang tạo nên
điện áp ngược trên D3 và D3 chưa
làm việc, do vậy chưa có dòng qua
tải pha B.
Giai đoạn 2:
Lúc này điện áp các tụ thay đổi nhỏ
hơn điện áp pha A nên D3 bắt đầu
được phân cực thuận và dẫn dòng,
mặt khác dòng qua D1 và ZA vẫn còn, sơ đồ tương đương của giai đoạn này như trên
hình 5.22. Trong giai đoạn này các tụ tiếp tục phóng và sau đó được nạp ngược lại cho
đến đầy, khi dòng tải pha A giảm về bằng không thì quá trình chuyển mạch dòng từ
pha A sang pha B kết thúc. Quá trình khoá các van khác diễn ra tương tự.
b/-
Sơ
đồ
ch
uy
ển
mạch nhóm
Sơ đồ BBĐ như hình 5.23, ngoài các
phần tử như đã nêu trong sơ đồ còn có
2 tiristor phụ T7, T8 và tụ điện Ccm là
các phần tử chuyển mạch.
Nguyên lý chuyển mạch :
-
+
T1
IdL0
+ -+ -
+ -
A
iA
Ud
D1
C15
C13 C35
C
ZA
uA
ZC
uC
iC
T3
T2
D2
Hình 5.20
Hình 5.22
-
+ IdL0
+ - iA
Ud
D1
Ct®
ZA
uA
ZC
uC
iC
T3
T2 D2
iBD3
ZB
uB
-
+ IdL0
+ - 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
ZBuB ZCuC
iB iC
T7
T8
Cc
m
Hình 5.23](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-163-320.jpg)
![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](https://image.slidesharecdn.com/dientucongnghiep-180514065323/85/Dien-tu-cong-nghiep-176-320.jpg)
Uploaded byPham Hoang
Dien tu cong nghiep
Tài liệu trình bày về thyristor, một phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp p-n-p-n, với đặc tính vôn-ampe và quy trình mở-khoá thyristor. Nó cho phép dẫn dòng chỉ theo một chiều và được điều khiển bằng dòng vào cực điều khiển, với các yếu tố về điện áp và dòng điều khiển đóng vai trò quan trọng trong ứng dụng thực tế. Ngoài ra, tài liệu cũng so sánh giữa thyristor và triac, phần tử có khả năng dẫn dòng theo cả hai chiều.
![[BTL] Kiểm tra tính ổn định của hệ thống liên tục](https://cdn.slidesharecdn.com/ss_thumbnails/kimtratnhnnhcahthnglintc-141116074032-conversion-gate02-thumbnail.jpg?width=640&height=640&fit=bounds)
![Chuong 1 CDIO [Compatibility Mode].PDF/COM](https://cdn.slidesharecdn.com/ss_thumbnails/chuong1cdiocompatibilitymode-241020021117-e75b086d-thumbnail.jpg?width=640&height=640&fit=bounds)
![[ĐAMH] Thiết kế máy ép củi trấu](https://cdn.slidesharecdn.com/ss_thumbnails/nmnhcpdf-160719100537-thumbnail.jpg?width=640&height=640&fit=bounds)
![[ĐAMH] Điều khiển thiết bị điện qua máy tính](https://cdn.slidesharecdn.com/ss_thumbnails/boconmnhc-160106172916-thumbnail.jpg?width=640&height=640&fit=bounds)
Dien tu cong nghiep
- 1. TRƯỜNG ĐẠI HỌCCÔNG 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
- 2. Hình 1.8. Đặctính 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 n p n- p GK A K J3 J1 J2 n V A K G a) b)
- 3. ngược. Cho đếnkhi 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 ),
- 4. cần phải cómột 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 G0 00 C -100 C UGK
- 5. I.1.4 Các thôngsố 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 uđkTD1 D3 RB Tr2 CW1 W2 +Un on off Hình 1.4. Sơ đồ tiêu biểu mạch khuếch đại xung điều khiển tiristo * * BAX G K D2 uđkTD1 D3 RB Tr2 CW1 W2 +Un on off
- 6. Thyristor được sửdụng 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 n p 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)
- 7. Triac là phầntử 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 G T1 b) - + R
- 8. khiển vẫn đượcnối 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 G K 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
- 9. cực điều khiểncủa 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: C B I I hay C B bh I I 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
- 10. kháng cao củatiếp 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 B E 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
- 11. nU điều khiểnbởi 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 U I 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
- 12. 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 U I 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 off t . 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 2 0BI , 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 on I Hình 1.13. Dạng dòng điện điều khiển lý tưởng cho một khóa BJT iB(t) IB1 Kbh.IC t
- 13. và thời gianmở 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 off t và thời gian khoá r off t (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
- 14. lớn. Sơ đồmắc 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 nnn p 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 p nnn p n- n Kªnh dÉn p n nnn p n- n Diode trong a) n b) c)
- 15. 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 I G 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
- 16. Do là mộtphần 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 RGint RDS(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 Driver IG Rdr RGint G IGS IGD RGext Hình 1.21a. Sơ đồ quá trình mở một MOSFET
- 17. là chế độlàm 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 Uth Møc Miller UDS iG(t) uDS(t) IG ID iD(t) t1 t2 t30 UDS(on) t t t t t t4 )21.()( T t e P Ut GS U A 1 A 2 UP Udr UGS Uth Møc Miller )11.()( T t e P Ut GS 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)
- 18. Sau thời điểmt4, 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).
- 19. Từ 0 đếnt1 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 Driver IG Rdr RGint G IGS IGD UCC RGext
- 20. điện áp khikhoá 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 2 g 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 np p n+ p i2 c) d)a) b) E – (Emitter)
- 21. Do có cấutrúc 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 th U 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 D0 I0
- 22. dẫn đến điệntrở 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 .I Q 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 dc U .I toff t(µs) t(µs) t(µs) UGE UG UCE -UG UGE(th) UGE.Io Ic Udc I0 UCE.on i1 i2 trv tfi1 tfi2 toff td(off) t(µs) Tæn hao khi khãa Hình 1.27. Quá trình khoá IGBT
- 23. Lớp n- trong cấutrúc 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 p j1 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)
- 24. nhiên khả năngchịu 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 IC Thêi gian ®ãng c¾t VCE 10-5 s 10-4 s DC ICM IC Giíi 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 18V IGBT +UGE -UGE UG
- 25. Dòng điều khiểnđầu 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
- 26. quá áp trênCollector - 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
- 27. Tác dụng củamạch 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
- 28. thuộc vào giátrị 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 2 EIt(t2 - t1) = 1 2 EIttoff 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 -E W t0 t1 t2 It uV(t) iV(t) W 0DU t 0DI t 0DU t 0DI t 0 0
- 29. bắt đầu giảmtừ E về đến 0. Năng lượng tổn hao khi mở bằng: Won = 1 2 EItton 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 0DI t 0DU t Hình 1.37. Tổn hao công suất do diode phục hồi
- 30. thỏa hiệp giữamong 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 2 C i i i W C U ; 21 2 L 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) E2 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
- 31. 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 120o C đến 150o C 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 t 0 iL(t) 0 0 -E2 t t t1 t2 t3 uD(t) E1 e(t)
- 32. Nhiệt truyền từnơi 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 T P R , trong đó đơn vị tương ứng là: PT [w]; T [o C]; RT [o C/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 o C [J]; - chênh lệch nhiệt độ giữa phần tử và môi trường [0 C] Viết lại phương trình vi phân trên dưới dạng: T d P 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 max e 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 max1 1TP 2TP T Tj Tv Th Ta Rth(j-v) Rth(v-h) Rth(h-a) Hình 1.41. Mô hình truyền nhiệt
- 33. 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 = 25v,max th(j v) T R = const trong đó giả thiết nhiệt độ môi trường là 25o C. 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 T P 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 0 C 25 P
- 34. j.max a th(j v) th(v h)th h a th.max T T R 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) = 0.93o C/w, Trở kháng nhiệt từ vỏ ra tản nhiệt Tth(v-h) = 0.1o C/w. Tj.max = 110o C. 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 40o C. Trở kháng nhiệt của tản nhiệt yêu cầu là: 0 0 37 j.max a th(j v) th(v h)th h a th.max T T R R R , C P Từ giá trị này có thể chọn được loại tản nhiệt theo yêu cầu.
- 35. CHƯƠNG 2 CHỈNH LƯUĐIỀU 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.
- 36. Ed Ld Rd id TmT2T1 umu2u1 ud O A Ed Ld Hình 2.1b: Sơđồ 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 T2T1 umu2u1 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 umu2u1 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.
- 37. Ed Hình 2.3a Ld Rd DmD2D1 umu2u1 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
- 38. Hình 2.3b Ed Ld Rd Tm T2T1 umu2u1 id ud O K Mỗidiode 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
- 39. Trường hợpsơ 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 1800 . 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-1T2m T3 T1 umu2u1 ud A Ed Ld Rd Hình 2.4 id
- 40. u: làtổng 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 di LiR )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.
- 41. Chú ý: Khidùng (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 i qe (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 arctg i qe (2-10) Đây là biểu thức dòng tải dạng tương đối ở chế độ dòng liên tục.
- 42. Trường hợpkhi 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 q I i q q * .sin .cos q I q (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: q tdt d uq d U /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 U q U q 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
- 43. 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,
- 44. Hình 2.6 u1 iT1T1 u2iT2 ud T2 idRdLdEd 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 iT2iT1 Id Id 2 t iDo 2 t 3/2/2 ud (nÐt ®Ëm) u2 u1u 0 2 iT Hình 2.7
- 45. un iTnLsn Tn un+1iTn+1Lsn+1 Tn+1 idRd 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
- 46. van nối Cathodechung 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)
- 47. 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
- 48. Hình 2.9. Sơđồ chỉnh lưu hình tia 2 pha ud (nÐt ®Ëm) u u1u2 iT1iT2 0 t 2 i 0 t 2 ucubu 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
- 49. Hình 2.11: Đồthị dòng điện lưới điện xoay chiều i1 i1 Id/kba0 2/3 2 /3 Id/kba0 t 2 t t /2 i1 Id/kba0 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:
- 50. 1 [(2 3) / ].[(cos (1/ 5).cos5 (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.(/cos 2 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
- 51. Từ đó tathấy 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 cos 2 sin . 0,45 2 2 dU 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 idT Rd ud u2 B A i2 uT ** i1 b) ud (nÐt ®Ëm) u t 2 10 2 2 u®k T t 2 1 0 Id t 2 10 2 t
- 52. Hình 2.14 Ed iT idT RdiD o ud u2 B A i2 uT ** i1 u1 Ld uD oD0 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 cos 2 sin . 0,45 2 2 dU U t d t U a) iT idT 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)
- 53. Hình 2.15: Đồthị áp và dòng một số phần tử của sơ đå ud (nÐt ®Ëm) iT u t 2 10 2 Id t210 2 Id iDo t210 2 uT uT (nÐt ®Ëm)u2 t 2 10 2 2 u®k T t 21 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.
- 54. Đồ thị điệnáp 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 2 U 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)
- 55. Hình 2.17 Đồthị 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 T2i22 ud Ed Ld Rd id u1 u21 u22 Hình 2.16 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha không có D0
- 56. 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)
- 57. qua T1, quaphụ 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) u21u 0 2 3 = 2 = 1 = 3 = 2 = 1 = t iT 1 0 Id 2 2 = 1 = 3 = t0 2 Id1 = t iT2 0 2 uT1 2u21 u21 Id/kba1 = t i1 0 2
- 58. 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 iT1T1 1 0 iT22 i1 T2 i22 ud Ed Ld Rd id u1 u21 u22 Hình 2.19
- 59. Hình 2.20 Đồthị điện áp, dòng điện minh hoạ nguyên lý làm việc của sơ đồ uT1 (nÐt ®Ëm) t ud (nÐt ®Ëm) u22u21 u 0 2 3 = 2=1= iT1 2 = 1 = 3 = t0 2 3 = 2 = 1 = t0 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 ;
- 60. max 22. 2.TngUU ; 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 T1ia a** BAiA iB iC A T2ib B iT2b* * icc* *C iT3 Ed Ld Rd id T3ud KO Hình 2.21 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha t t t t t t t iT1=ia 0 2 4321 2 uT1 uacuab 0 2 43 2 1 iT3=ic 0 4321 2iA 0 2 432Id/ (3kba)1 Id/ (3kba) iB 0 2 432 1 iC 0 2 4321 iT2=ib 0 4321 Id t u 0 2 ud ucub ud (nÐt ®Ëm) ua 4321 Hình 2.22 Đồ thị điện áp, dòng điện minh hoạ nguyên lý làm việc của sơ đồ
- 61. vậy trong khoảngtiếp 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
- 62. Hình 2.24 ia a ** BAiABiA iBCiB 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.
- 63. Các biểuthức 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 00 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 >300 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: iT1T1 T2 iT2 iT3T3 O ud Ed Ld Rd id u ia a** BAiA iB iC A ib B b* * ic c* * C iDoD0 K Hình 2.25
- 64. Hình 2.26 Đồthị điện áp, dòng điện minh hoạ nguyên lý làm việc của sơ đồ t t t t t iT1=ia 0 2 43Id ud (nÐt ®Ëm) 2 Id Id Id 1 iT2=ib 0 2 4321 iT3=ic 0 2 4321 iDo 0 2 4321 uT1 uab uac ua 0 2 4 32 1 t 7/35/3/3 2 u 0 ud ucubua 43 21 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
- 65. II.2.1.5 Sơ đồchỉnh 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 CBA iCiB iA BA O id Rd b2b1a1 a2c1 ia1 ud ic2 c2 ib2ia2ic1ib1 Ld T5T3T1 T2T6T4 Ed iT2iT6iT4iT5iT3iT1 K *** *** *** AC CB B Aa1 a2 c1 c2 b1 b2 b a c Hình 2.27
- 66. sơ cấp và2 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 c1b1a1 ic1ib1 T5T3T1 iT5iT3iT1 *** ic2 T2 iT2 * * * c2b2a2 ib2ia2 T6T4 iT6iT4 ** BA CBA iCiB iA *** Hình 2.28
- 67. Hìn 2.30 t -u2 ud(nÐt ®Ëm) u2 u a 0 2 3 = 2 = 1 = 3 = 2 = 1 = t iT1= iT2b0 Id 2 2 = 1 = 3 = te 0 2 Id 1 = t iT3= iT4 c 0 2 uT1=uT2 Id/kba1 = 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 T3T1BA Rd i2 i1 ud Ld Ed iT4 iT2 idT4 T2 u2 u1 Hình 2.29
- 68. Tóm tắt sựlàm 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 T3T1BA i2i1 iT4 iT2 T4 T2 iDo ud D0u2 u1 Rd Ld Ed id Hình 2.31
- 69. Hình 2.33 t iT1 b 0Id th 0 uT1 iT2 Id tc 0 Id/kba tg 0 ti 0 uD1 iD1 Id td 0 iD2 Id te 0 i1 ud (nÐt ®Ëm) t -u2 u2u 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 = Id; iT2 = 0; iD1 = 0; iD2 = id = Id; 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 D1T1 BA Rdi2 i1 ud Ld Ed iT2 iD2 id T2 D2 u2 u1 Hình 2.32
- 70. Hình 2.34 iT2 iT1 T2T1BA Rdi2 ** i1 udLd Ed iD1 iD2 idD1 D2 u2 u1 Hình 2.35 t iT1 b 0 Id th 0 uT1 iT2 Id tc 0 Id/kba tg 0 ti 0 uD1 iD1 Id td 0 iD2 Id te 0 i1 ud (nÐt ®Ëm) t -u2 u2u 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 = Id; iD2 = id = Id; 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 = Id; 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 = Id; iD2 = id = Id; 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 .2UUTth ; 2max 2UUTng 2/)( dDtb II ; 2/)( dD II 2max .2UUDng c.2/- Sơ đồ thứ hai Sơ đồ nguyên lý
- 71. Trong sơ đồnày 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 = Id; iT2 = 0; iD1 = 0; iD2 = id = Id; 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 = Id; 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 = Id; 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 = Id; 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
- 72. điện áp ngượcvà 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 2iA 0 t Id/kba 2 k iT6 0 t i 2 u 0 ud ucubua 7 531a K (nÐt ®Ëm) ud 0 642 0 t t b A (nÐt ®Ëm) Hình 2.37 i A iT5 K A iT3iT1 id ia T1 T3 T5 R d a udb ib L d c ic E d T2T6T4 iT4 iT6 iT2 ** ** * B A A iB * B iC C hình 2.36
- 73. còn nhóm vananode 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
- 74. .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 ; =600 ; =900 . 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 20 U 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 iT2iT1 id ia T1 T2 T3 Rd a udb ib Ld c ic EdD3D2D1 iD1 iD2 iD3 ** ** * BA A iB * B iC C Hình 2.38 t u =30 0 0 3 2 4 =60 0 =90 0 Hình 2.39
- 75. không xảy ravì 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 2 U 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
- 76. 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 iT7iT10 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
- 77. của các vantrong 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 600 100 thì uCB1=-Umd.sint Khi 900 1>600 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 tt t uCB1 (nét liền)uCB 1 = 2 = 900 1 = 600 0 /3 4/32/3 0 uCB1 0 iCB1 (nét đậm)iCB t0 iCB1 Hình 2.41
- 78. của nó đượccho 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 600 100 và khi 900 1>600 và với (2/3-1) t (-2/3+1): ICBtb=[ (3Umd)/ (2LCB)]. (sin+cos) -Khi 900 1>600 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>900 , 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 - 00 300 600 900 1200 1500 1800 - Ud1=Ud - 1 - - 1800 - 00 - 900 - a - b - Hình 2.42
- 79. pháp điều khiểnnày 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
- 80. II.4.1 Tổng quanvề 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.
- 81. Hệ thốngđiều 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®kTul urc TXSS u®k Khèi 3Khèi 2Khèi 1 Hình 2.43
- 82. số. Do tínhiệu 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
- 83. Hình 2.44 R1 u®bR2ul Hình 2.45 ** ulu®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:
- 84. Hình 2.47 Urcmax urc u®b u 3 2 1 t32 Sơđồ 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 RCuc * u®b BA§ Hình 2.46 * M¹ch ®ång bé + Un - D2 D1 ul C a urc o uc * u®b BA§ R R1 Hình 2.48
- 85. Hình 2.49 Urcmaxurc u®b u 21 1't 32 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:
- 86. Hình 2.50 urc o a * M¹ch ®ångbé 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 32 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
- 87. sụt áp trênR4 (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 R4R2 1 Dz uc * u®b BA§ C WR U0 Hình 2.52
- 88. Hình 2.53 Urcmax u®b u 1 t 32 urc Vậysau 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.
- 89. Hình 2.55 Urcmax u®b u 1 t 32 urc Phầnmạch 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
- 90. urc Hình 2.57 u u®k 0 21 32 t ura Ucc 0 22'1 1' 32 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 uraura urc u®k c +Ucc -Ucc R- D + A R2R1 urcu®k d +Ucc -Ucc R- D + A +Ucc Rk urc Tr ura u®k a +Ucc Rk R2R1 Tr ura urcu®k b uBE uBE Hình 2.56
- 91. hoà và bỏqua 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.
- 92. Hình 2.58 +Ucc ** W1 W2 BAX G K D3 u®kTD1 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
- 93. H×nh 2.59a: §åthÞ ®iÖn ¸p khi tbhtxv H×nh 2.59b: §å thÞ ®iÖn ¸p khi tbh<txv uv 0 t2't2t1 ' t1 t u®kT 0 t2't2t1 ' t1 txv txr tbh t t t uv 0 t2 t2't1't1 u®kT 0 t2't2t1 ' 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
- 94. làm cho biênđộ 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
- 95. Hình 2.60 Rk1 +Ucc uc R Rk2 - Tr1C1 + Tr2C Rb uc1 ube2ube1ura 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
- 96. điện trở củamạch 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 t3t2 Ucc ura 0 t1' txr t2't2 t3't3 0 t1 t2 t3 ube ube a b c d e g Hình 2.61
- 97. điện áp đầura 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,
- 98. Hình 2.63 u®b t 2 ube ube uk3 uk4 u®b1 t2 t 2 t 2 3'32'21'1 3 3'1'1 22' 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 R4R2 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
- 99. &1 được đặtđiện 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
- 100. Hình 2.65 * id ud RdD2D1 4 Ldu4-5 T1 T2 Ed 5 2 1 1 032 K1 K2 G2G1 RG1 iC iG iR uC C RG2u1-0 DG2DG1 R uR UR U4-5 UC U0-1 U2-0U3-0 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
- 101. Để làm rõnguyên 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
- 102. u0-1=0 và bắtđầu 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
- 103. xẩy ra quátrình 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 C0 A B uBB=0 (nÐt ®øt) uBB>0 (nÐt liÒn) uEB1 IEmin B1 B1 UEmaxUE0 -IE0 a b c Hình 2.66
- 104. UEmin cỡ 1,5đến 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 - R2R D ucC uraR1 uc UEmax u t3t2't2t1'0 t1 Tck 0 UEmin ura t3t2't2t1't1 a b Hình 2.67
- 105. điểm mở tựnhiên 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: R1D2 u®k R3 ** Tr- + uD 1 u2u1 D2 D4 uD2 UJTR2 BA * D3 Cuc u®k T BAX * Hình 2.68
- 106. Hình 2.69 t u t0 U0 uD2 u u®kT t 0 0 UEmax UEmin U0uD2 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 R19R6 U0 U0 R7 R10 R11 R8 R12 R20 R13 D1 R9 R14 R15 D2 R16 R21R17 R18 R5 R3 R2 u®k ura1u®kth ura2u®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 R2Tr1 Ucc R3 Tr2 C - R1 ura Hình 2.70
- 107. Để điều khiểncác 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:
- 108. Hình 2.72 u®ba 1 t 2 ub e ub e ik 1 ub3 /2uC2 UC2max=Uc c - Ucc t2 t t2 31 2 u ura 1 ura2 t2 1 2 t 2 t 0 0 0 0 0 0 ur c -u®kng t urc+U0 - u®kt h Ta giảthiếy 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
- 109. Hình 2.73 Thêi ®iÓmthay ®æi gi¸ trÞ u®ku 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) .
- 110. 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
- 111. Để bảo vệquá 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
- 112. K 2 K 3 K 1 R E C 2L Hình 2.75 Đốivới 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* T6T4 a aa a b bb b c cc c ** ** * B A MC1 MC 2 A * B C R1R1 C 1 C1 R2 C2 RC a b e c d Hình 2.74
- 113. Các giá trịR 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/Up10 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
- 115. CHƯƠNG 3 BỘ BIẾNĐỔI 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
- 116. triac, triac làdụng 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 ZtT2 a T1 it ung ut T2 D1D2 b it ut Ztung c it utung d T it ung ut ZtDe Hình 3.1
- 117. III.2.2.1 Biểu thứcdòng 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( ). ]t i 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 BA ung utT2 Hình 3.3
- 118. Khi phụ tảithuần 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
- 119. điện trên tảicó 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
- 120. Hình 3.6 T1 it BC1R 1 A ung utZt 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).
- 121. Nguyên lý hoạt độngcủa 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 OCBA T1 ZCZBZA (S2) T 2 (S3) D3D2 T3 (S1) T2 CBA T1 ZCZBZA (S3) T3 g b C1 B1 A1 C1B1A1 ZA ZB ZC OCBA T3T2T1 ZCZBZAc CBA T 3 T2T1 ZCZBZAd a (S1) T2 OCBA T1 ZCZBZA ( S2)T3 ( S3) T6T4 T5 (S1) T2 CBA T1 ZCZBZA ( S2)T3 ( S3) T6T4 T5 Hình 3.7
- 122. Hình 3.8 R2 uR2 D2 it T1WRD1 D3 utZtT2 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
- 123. có một dòngđiện 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®kTycu®kT1 t u®kTycu®kT2 c d e Hình 3.9
- 124. Hình 3.10 C2 uc2 D2 it T1WRD1 D3 utZtT2 ung u®kT2 u®kT1 uc1 D4 C1 t u®kTycu®kT 1 t u®kTycu®kT2 b c t ut (nÐt ®Ëm) ung u 2 2 31 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 RCBA D1 DG3DG2DG1 ZCZBZA (S2)D2 (S3) T3T2 D3 Hình 3.12
- 125. CHƯƠNG IV BỘ BIẾNĐỔI 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 Tcktc Tck t® ut 0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 iDo D0 Rt Lt Ud Ud Et - a b Hình 4.1
- 126. Dòng qua tảisẽ 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 d tb ck t ck U t U 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.
- 127. Giữ nguyênthời 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
- 128. BBĐ làm việcở 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).
- 129. T1 T2 + Ud - iT1 it ic iDoC RtiT2 D0Lt L ut D Et a Rt Lt Et + - T1 T2 Ud iT1 it ic iDoC 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 T4T5 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 E T 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
- 130. Hình 4.3 T1 T2 + Ud - uT1 iT1 it iC uC iL iDoCRtiT2 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
- 131. khiển T1 chưakín, 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,
- 132. nó bằng khoảngthời 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)
- 133. Hình 4.4 uT1 iT1 t t2 Ud t1 0 -Ud t5t4t3 t t2 Ud t1 -Ud t5t4t3 uCiC t t2 2Ud t1 0 0 Ud t5t4t3 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)
- 134. Trước thời điểmnày 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:
- 135. 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
- 136. Trong đó: Lmin= C.Ud 2 / ([ITmax] -It0)2 ; Lmax = tđmin 2 . 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
- 137. 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
- 138. +Ucc =5-15 V t THTL T ura a b R1 48 37 555 uraR26 52 C 1 C1 +Ucc f1 Q 4044 102 4 5 6 14 f1 R Q 111 f2C 13 DSC3 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
- 139. Hinh 4.9 C1 +Ucc Tr C2 uC2 uC1 -R1 A + D1,2 R2 -Ucc uv urc Trongtrường 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 t4t3t2t10 t Tck uC1 0 urc 0 t4t3t2t1 t t4t2 t Hình 4.10
- 140. C1 sẽ phóngđiện 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.
- 141. GT2 KT2 C1 C2 C5 GT1 KT1 +Ucc1 §iÖn ¸p ®iÒukhiÓn cã gi¸ trÞ ©m +Ucc2 -Ucc2 u®kTr4 Tr5 BAX 2 BAX 1Tr3 Tr6Tr1 Tr2 C4 R3 R9 - A1 + D1,2 R10 R15R14 R12 R13 R11 R16 R4 D8D5 RL D7 D6 R8 R7R5 R6 D3 D4 u®kT2u®kT1 8 4R1 37 6 R2 52 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 tt4t3t2t10 urc -u®k urc - u®k Tck t1' t3' 0 u®k T2 0 t® tc u®kT 1 0 a b c d t t4t2 t t4t2 t ux 1 Hình 4.12
- 142. Hình 4.13 T1 T2 + Ud - iT1 iD iC uC iL iDoC D0 CK T L uD D § Hình4.14 + Ud - iD iC iD1D1 D CK TuD §T1 T2 iT2iT1 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
- 143. mạch phần ứngđộng 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 uDuD iD t t2 0 0 t1' T2 t1 D1T1 t3't3 iD t iD1 t2t1' t3' Hình 4.15 iD iC iRh Rh D CKT uD §T1 T2 iT2 iT1 uC C L Hình 4.16
- 144. dụng BBĐ mộtchiều-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 + BA Up Rp Dp - iRT iRf iT1 iT2 iC uC iL C A B C §K CL CK L D Rf Hình 4.17
- 145. ứng khoá Kcắt) 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.
- 146. CHƯƠNG V: BỘ BIẾNĐỔI 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
- 147. phần tử điệncảm 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,U2f1,U1 + = C0Ud - = II I I f2,I2f1,U1 + = L0 Ud Id - = II I a b Hình 5.1
- 148. Hình 5.2- + T3T1 D3 3 D1 1 C0 ut itBAUd Z t T2T4D4 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
- 149. tải xoay chiềuhay 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 mëT1,T2 më 32 t 0 T3,T4 mëT3,T4 më-Ud Hình 5.3
- 150. ut it ut Ud Im -Im 32tt2 t4 t3t1 -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 :
- 151. 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 t at 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:
- 152. - T3T1 D33D11 C0 ut it ** * * + -C1 + - C4 L1 L4 Ud Zt T2T4 D44 D22 C3 C2 L3 L2 II 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: +
- 153. 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(Imax 2 - I2 ) (5-18) Cân bằng năng lượng trong giai đoạn này ta có : Wd = Wt + WL (5-19)
- 154. Hình 5.7 - + T3 D3 T1 D1 D33D11 C0 utit L1C1 Ud + - +- Zt D2 T2 D4 T4 D44 D22 L2C2 Hình 5.8 T6 - + T3T1 D33D11 C0 ut itUd Zt T2T4D44 D22 T5 - +- + T8 T7 C2 L2C1 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
- 155. Hình 5.9 it I t u®kT5 t0 t3t2 t1t0 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 Tagiả 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
- 156. - + T3T1 ut it BAUd IdL0 LtRt T2 T¶i T4 it Id Id 0 2TTT/2t 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)
- 157. - + (+) (-) - + T2T1 BA O B * ** W2 W12W11 A Ud C IdL0 ut itLtRt T7 - + T3T1 ut itC1 - +- + Ud IdL0 LtRt 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
- 158. Ta xét quátrình 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.
- 159. - ZA + T1D11 C0 T5 A D55 Ud uA T4 C D44 T2 D22 T3 D33 B T6D66 ZBuB ZCuC t t t t t t u®kT1 t10t9t8t7t6t5t3 t4t2t1 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
- 160. 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.
- 161. Ud - ZA + T1D11 C0 T5 A D55 uA T4 C D44 T2D22 T3 D33 B T6 D66 ZB uB ZC uC T7 T8T12T10 T9 T11 L1 L3 L2 C1 C3 C2 - ZA + T1 T5 IdL0 A iA Ud uA T4 C T2 T3 B T6 ZBuB ZCuC 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
- 162. iA 0 t 2 7/35/34/32/3 Id /3 iB 0t 2 7/35/34/32/3Id iA 0 t 2 7/35/34/32/3 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 IdL0 + -+ - + - 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
- 163. cách dòng phóngcủa tụ với tải để giảm nhỏ ảnh hưởng của tải tới thời gian phục hồi tính chất điều khiển của các tiristor từ T1 T6 . Nguyên lý chuyển mạch Ta giả thiết rằng van T1 và T2 đang làm việc, ở thời điểm t=t0 ta cần khoá T1 và mở T3. Khi T1 dẫn dòng thì tụ C13, C35 và C15 được nạp điện với cực tính điện áp trên các tụ như ghi trên sơ đồ. Tại t=t0 ta truyền xung điều khiển đến T3 và quá trình chuyển mạch dòng điện từ T1 sang T3 diễn ra qua các giai đoạn như sau: Giai đoạn 1: Các tụ C13, C15, C35 phóng và nạp theo mạch vòng như hình 5.20, lúc này tụ C15 được xem như mắc nối tiếp với tụ C35 và chúng lại mắc song song với tụ C13, toàn bộ được xem như là một tụ tương đương có điện dung bằng 2/3 điện dung mỗi tụ [Ctđ=(2/3)C]. Tụ tương đương phóng điện theo mạch vòng Ctđ - D1 - ZA - ZC - D2 - T2 - Ud - L0 - T3 - Ctđ. Sự phóng điện của các tụ qua T3 tạo nên điện áp ngược trên tiristor T1 làm cho T1 khoá lại. Sơ đồ tương đương của giai đoạn này có thể biểu diễn lại như trên hình 5.21. Trong giai đoạn này dòng tải pha A vẫn tiếp tục được duy trì, điện áp trên các tụ đang tạo nên điện áp ngược trên D3 và D3 chưa làm việc, do vậy chưa có dòng qua tải pha B. Giai đoạn 2: Lúc này điện áp các tụ thay đổi nhỏ hơn điện áp pha A nên D3 bắt đầu được phân cực thuận và dẫn dòng, mặt khác dòng qua D1 và ZA vẫn còn, sơ đồ tương đương của giai đoạn này như trên hình 5.22. Trong giai đoạn này các tụ tiếp tục phóng và sau đó được nạp ngược lại cho đến đầy, khi dòng tải pha A giảm về bằng không thì quá trình chuyển mạch dòng từ pha A sang pha B kết thúc. Quá trình khoá các van khác diễn ra tương tự. b/- Sơ đồ ch uy ển mạch nhóm Sơ đồ BBĐ như hình 5.23, ngoài các phần tử như đã nêu trong sơ đồ còn có 2 tiristor phụ T7, T8 và tụ điện Ccm là các phần tử chuyển mạch. Nguyên lý chuyển mạch : - + T1 IdL0 + -+ - + - A iA Ud D1 C15 C13 C35 C ZA uA ZC uC iC T3 T2 D2 Hình 5.20 Hình 5.22 - + IdL0 + - iA Ud D1 Ct® ZA uA ZC uC iC T3 T2 D2 iBD3 ZB uB - + IdL0 + - 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 ZBuB ZCuC iB iC T7 T8 Cc m Hình 5.23
- 164. =max= <max= Giả thiếttrong 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
- 165. u T/2 T t - + Ud ur1 T3a T2a T1a BA3BA2BA1 T4a D3a D4a D1a C0 D2a T3b T2b T1b T4b D3b D4b D1b D2b T3c T2c T1c T4c D3c D4c D1c D2c ura ur3ur2 Hình 5.25 V.4.2 Nângcao 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
- 166. ur1 t 7/3 25/34/32/3/3 2/3 /6 /3 a ur2 t ur3 t ura t b c d Hình 5.27 Hình5.28 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 BA 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
- 167. - H×nh 5.30+ T3T1 uCt ut it A BUdC0 LtRt 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:
- 168. t t t t t t iD1 iD2 uT1 uT2 u®kT 23 t t 650 it 0 0 0 0 0 iT1 iT2 2 1 4 3 6 t t t 2 43 6 43 Ud t uC u®kT 22 30 it 0 0 0 0 0 1 2 1 32 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.
- 169. - + T3T1 it A BUd IdL0 Lt Rt T2T4 uCt Ct Góc dẫncủa 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.Rt 2 .Ct 2
- 170. t t it t 2 t §-êngnÐt ®øt lµ sãng hµi bËc nhÊt dßng t¶i t 40 2t 1 uCt=ut t 1 0 uT1 =' t 21 Ud0 uL0 tt 40 2t 1 it t 40 2t 1 uT1=uT2 t 4 0 2t 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.
- 171. Đến t=t1=1 (tươngứng 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.
- 172. Q 2 1 NOT 1 OR 2 OR 1 3 4 P Tr2 Tr1 TÝn hiÖukhèng 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
- 173. Xét một trườnghợp 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:
- 174. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 TÝn hiÖu b¸ocßn xung lÊy tõ ®Çu ra m¹ch so s¸nh hoÆc söa xung ux1 TÝn hiÖu khèng chÕ c¾t c¸c xung tr-íc khi ®¶o chiÒu TÝn hiÖu khèng chÕ chiÒu dßng t¶i ukc + - Tr2Tr1 R2 D2 D1 C2 C1R3 R4 R1 §Çu nèi chung cña mét nhãm van (Mét ®Çu cña ®iÖn ¸p chØnh l-u) TO3 TO1 TO2 CL3 CL2 CL1 Rc Rb Ra B C A -Ucc+Ucc IC4IC3IC2 P QIC1 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.
- 175. Các tín hiệura 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.
- 176. P2.-Tóm tắt mộtsố 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
- 177. (A) (C) (D) 8Sơ 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