tài liệu Trần Văn Hùng.pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH
TH.S TRẦN VĂN HÙNG
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
TP. HỒ CHÍ MINH – 2016
LƯU HÀNH NỘI BỘ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH
TH.S TRẦN VĂN HÙNG
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Trình độ : Đại học
Ngành : Điều khiển tự động
Môn : Điện tử công suất
Thời lượng : 45 tiết
TP. HỒ CHÍ MINH – 2016
LƯU HÀNH NỘI BỘ

LỜI GIỚI THIỆU
Tài liệu ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT là một trong những tài liệu phục vụ cho việc
giảng dạy môn học ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT cho sinh viên Khoa Công Nghệ Điện Tử
của trường đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, nhằm cung cấp các kiến thức
cơ bản liên quan đến lĩnh vực điều khiển và biến đổi công suất bằng các bộ biến đổi
công suất.
Để hiểu được nội dung trình bày trong tài liệu này sinh viên cần nắm vững các kiến
thức cơ bản về điện tử, kiến thức lý thuyết về mạch điện, lý thuyết điều khiển và truyền
động điện…
Tài liệu ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT bao gồm 6 chương:
Chương 1 – Mở đầu, chương này giới thiệu cách tính toán các đại lượng điện cơ
bản, giới thiệu cấu tạo và đặc tính cơ bản của các linh kiện công suất bán dẫn như: Diode,
BJT, Mosfet, SCR, Triac, IGBT, GTO, IGCT.
Chương 2 – Chỉnh lưu, chương này sẽ giới thiệu các bộ chỉnh lưu điều khiển pha
của điện một pha và ba pha.
Chương 3 – Biến đổi điện áp một chiều, chương này phân tích và tính toán cho các
bộ băm xung áp như: bộ giảm áp, tăng áp, tăng - giảm áp.
Chương 4 – Biến đổi điện áp xoay chiều, chương này mô tả và phân tích các kiểu
làm việc của bộ biến đổi một pha và ba pha.
Chương 5 – Nghịch lưu và biến tần, chương này trình bày các bộ nghịch lưu một
pha cơ bản và các mạch nghịch lưu ba pha loại sáu bước.
Chương 6 – Mạch lọc tích cực, chương này giới thiệu các bộ lọc tích cực, lọc sóng
hài bậc cao
Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đã đóng góp ý kiến cho tài liệu trong quá
trình biên soạn.

MỤC LỤC
Lời nói đầu
Chương 1 – MỞ ĐẦU
1.1 Giới thiệu điện tử công suất .......................................................................1
1.2 Các đại lượng đặc trưng.............................................................................3
1.3 Linh kiện điện tử công suất........................................................................5
Chương 2 – CHỈNH LƯU
2.1 Giới thiệu kỹ thuật chỉnh lưu ...................................................................30
2.2 Chỉnh lưu một pha ...................................................................................31
2.3 Chỉnh lưu ba pha......................................................................................47
2.4 Họa tần ....................................................................................................64
Chương 3 – BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU
3.1 Giới thiệu.................................................................................................66
3.2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha điều khiển toàn chu kỳ ..............68
3.3 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha điều khiển pha...........................69
3.4 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha điều khiển pha .............................77
Chương 4 – NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN
4.1 Giới thiệu .................................................................................................95
4.2 Bộ nghịch lưu một pha..............................................................................96
4.3 Nghịch lưu ba pha...................................................................................104
4.4 Kỹ thuật điều khiển bộ đổi điện ..............................................................119
Chương 5 – BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
5.1 Chế độ tuyến tính và chế độ chuyển mạch ..............................................128
5.2 Các bộ chuyển đổi điện áp hoạt động dòng liên tục.................................131
5.3 Bộ chuyển đổi hoạt động với dòng không liên tục ..................................147
5.4 Ảnh hưởng của các linh kiện không lý tưởng lên dạng sóng ...................154
5.5 Bộ cấp điện DC giao hoán cơ bản...........................................................156

5.6 Điều khiển bằng cách điều khế độ rộng xung..........................................180
5.7 Các dạng mạch PWM ............................................................................187
Chương 6 – MẠCH LỌC TÍCH CỰC
6.1. Giới thiệu................................................................................................191
6.2. Các kiểu mạch lọc tích cực .....................................................................191
6.3. Điều khiển cho mạch lọc tích cực ...........................................................197
6.4. Ứng dụng của mạch lọc tích cực.............................................................198
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................200

Chương 1- Mở đầu
-1-
Chương 1 MỞ ĐẦU
Mục tiêu của chương này
- Giới thiệu về điện tử công suất
- Tính toán các đại lượng điện cơ bản liên quan đến công suất
- Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động của linh kiện công suất
- Tính toán các tham số liên quan đến linh kiện công suất
- Hiểu và thiết kế phương pháp điều khiển linh kiện điện tử công suất
- So sánh linh kiện công suất với linh kiện thường
1.1 Giới thiệu về điện tử công suất
Phần này sẽ giới thiệu cho SV hiểu được các nội dung của môn học và lĩnh
vực áp dụng của chúng
Sơ đồ các quá trình xử lý công suất
Giải thích các quá trình xử lý công suất
Hình 1.1 Sơ các quá trình xử lý công suất.
Điện tử công suất là lĩnh vực áp dụng khá rộng trong sản xuất, trong công nghiệp,
mà nó dựa trên nền tảng của các môn học mạch điện tử, kỹ thuật xung số… Trong
đó đối tượng được điều khiển để truyền năng lượng điện có kiểm soát từ nguồn đến
tải. Các kỹ thuật biến đổi của điện tử công suất được mô tả như hình 1.1.
Hình 1.2 Sơ đồ mô tả các kỹ thuật điều khiển điện tử công suất.
Hình 1.1 bao gồm 4 kỹ thuật biến đổi chính trong điện tử công suất đó là.

Bài giảng Điện Tử Công Suất
-2-
− AC biến đổi ra DC: chỉnh lưu.
− DC biến đổi ra DC: biến đổi điện một chiều.
− DC biến đổi ra AC: nghịch lưu.
− AC biến đổi ra AC: biến đổi điện AC.
Trong công nghiệp, ngoài tải riêng ra, phần lớn mạch điện tử công suất là điều khiển
động cơ để thực hiện các yêu cầu của tải. Mối liên hệ giữa điện tử và công suất
Hình 1.3 Mối liên hệ giữa điện tử và công suất.
Trong chương này chúng ta khảo sát các nội dung sau:
− Các đại lượng đặc trưng về điện: trị trung bình, trị hiệu dụng, công suất…
− Các linh kiện công suất giao hoán có những đặc tính sau:
+ Tốc độ giao hoán nhanh.
+ Giảm thiểu công suất tiêu tán.
+ Cho phép điều khiển các tải nặng (dòng tải lớn hay điện trở tải nhỏ).
+ Có gắn các bộ vi xử lý, vi điều khiển hoặc PLC.
− Các linh kiện công suất giao hoán thông dụng là: Diode, BJT, Mosfet, SCR,
TRIAC, GTO, IGBT, MCT, IGCT…
Các lĩnh vực liên quan đến điện tử công suất
Electronics Power
Power
Electronics
Continuous,
discrete
Control

-3-
Hình 1.4 Lĩnh vực liên quan điện tử công suất.
Ứng dụng điện tử công suất
• Điều khiển tốc độ động cơ
• Bộ nguồn xung
• Đèn điện tử
• Vũ trụ
• Nguồn năng lượng gió
• Nguồn năng lượng mặt trời
• Bộ lưu điện (UPS)
• Xe hơi dùng điện
• Điện lưới ….
1.2 Các đại lượng đặc trưng
Phần này sẽ giúp SV ôn lại kiến thức về cách tính toán các đại lượng điện DC và
AC:
− Điện DC phải tính giá trị trung bình
− Điện AC phải tính giá trị hiệu dụng
− Môn học này liên quan đến năng lượng nên cần tính công suất và hiệu suất
1.2.1 Giá trị trung bình
Power
electronics
Systems
Control theory
Circuit theory
Signal
processing
Simulation
computing
Electronics
Solid state
physics
Electromagnetics
Power
systems
Electric
machines

-4-
Gọi i(t) là hàm biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ Tp. Giá trị trung
bình của đại lượng i(t), viết tắt là IAV (AV: average…giá trị trung bình) được xác định
bởi hệ thức:
dt
t
i
T
I
p
T
t
t
p
AV ∫
+
=
0
0
)
(
1
(1.1)
Với t0 là thời điểm đầu của chu kỳ được lấy tích phân.
1.2.2 Giá trị hiệu dụng
Giả thiết đại lượng i(t) biến thiên theo thời gian, theo một hàm tuần hoàn với chu
kỳ Tp hoặc với chu kỳ theo góc P
P T
X ω
= . Giá trị hiệu dụng của đại lượng i(t) được tính
theo công thức:
∫
∫
+
+
=
=
p
p X
x
x
p
T
t
t
p
RMS dx
i
X
dt
i
T
I
0
0
0
0
2
2 1
1
(1.2)
Chỉ số RMS: Root Mean Square – giá trị hiệu dụng.
1.2.3 Công suất
Công suất tức thời của một tải tiêu thụ được xác định bằng tích điện áp và dòng
điện tức thời dẫn qua nó.
)
(
).
(
)
( t
i
t
u
t
p = (1.3)
− Công suất trung bình :
dt
t
i
t
u
T
dt
t
p
T
P
p
p T
t
t
T
t
t p
p
AV )
(
)
(
1
)
(
1
0
0
0
0
∫
∫
+
+
=
= (1.4)
− Nếu dòng qua tải không đổi thì :
AV
AV
AV
AV I
U
I
U
P .
. =
= (1.5)
− Nếu điện áp đặt trên tải không đổi thì :
AV
AV
AV
AV I
U
I
U
P .
. =
= (1.6)
1.2.4 Hệ số công suất pF (Power Factor)
Hệ số công suất pF định nghĩa cho một tải tiêu thụ, như là tỉ số giữa công suất
tiêu thụ thực tế trên tải P và công suất biểu kiến S của nguồn cung cấp cho tải đó.
S
P
pF = (1.7)

-5-
Trong trường hợp đặc biệt của nguồn áp dạng sin và tải tuyến tính chứa các phần
tử như R,L,C không đổi và suất điện động dạng sin cùng tần số của nguồn áp với góc
lệch pha có độ lớn bằng ϕ. Ta có công thức tính hệ số công suất như sau:
ϕ
cos
mUI
P =
mUI
S =
ϕ
cos
=
=
S
P
pF (1.8)
Trong đó U, I là các giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện qua tải, m là tổng
số pha.
Từ đó ta rút ra biểu thức tính hệ số công suất theo các thành phần công suất như
sau:
2
2
2
D
Q
P
P
S
P
pF
+
+
=
= (1.9)
Các cách tăng hệ số công suất:
− Giảm Q: Công suất ảo của sóng hài cơ bản, có nghĩa là thực hiện bù công suất
phản kháng. Các biện pháp thực hiện như bù bằng tụ điện, bù bằng máy điện đồng
bộ kích từ dư hoặc dùng thiết bị hiện đại bù bán dẫn.
− Giảm D: Công suất ảo của sóng hài bậc cao. Tuỳ theo phạm vi hoạt động của dãy
tần số của sóng hài bậc cao được bù ta có thể phân biệt các biện pháp sau đây:
− Ngoài ra, có thể dẫn giải hệ thức hệ số công suất theo hệ thức sau:
1
1
cosϕ
I
I
pF = (1.10)
− Độ méo dạng THD: (Total Harmonic Distortion)
Là đại lượng để đánh giá tác dụng sóng hài bậc cao (bậc 2, 3…) xuất hiện
trong nguồn điện cho bởi hệ thức sau:
[%]
100
.
1
2
2
I
I
THD
m
j
j
∑
=
= (1.11)
Trong đó Ij là trị hiệu dụng của sóng hài bậc j, j ≥ 2 và I1 là trị hiệu dụng
dòng điện nguồn.
1.3 Linh kiện điện tử công suất
Phần này sẽ giúp SV hiểu được các nội dung sau:
− Đặc tính của linh kiện công suất sẽ làm việc như một công tắc là thế nào?
− Diode công suất (Đặc tính công suất)

-6-
− Transistor công suất (Đặc tính công suất)
− Thyristor (Đặc tính công suất)
− Công suất thất thoát
− Linh kiện điều khiển công suất (tự học)
1.3.1 Giới thiệu
Linh kiện công suất hoạt động chế độ on/off như một công tắc, linh kiện
công suất được chia làm 3 nhóm sau:
− Nhóm 1: linh kiện không điều khiển bao gồm diode và diode Schottky
− Nhóm 2: linh kiện điều khiển hoàn toàn bao gồm BJT, Mosfet, IGBT
− Nhóm 3: linh kiện điều khiển không hoàn toàn gồm SCR, Triac, MCT,
GTO, IGCT…
− Ngoài ra còn có một vài linh kiện mới, linh kiện này được chế tạo dựa
vào độ rông khe hở của các chất bán dẫn như: SIT, SITH, MCT,
IGCT…
1.3.2 Đặc tính giao hoán của công tắc bán dẫn
a. Trường hợp công tắc lý tưởng ( 0
=
f
V )
Hình 1.5 Dạng sóng đóng ngắt công tắc lý tưởng.
Chọn t = 0 lúc bắt đầu khởi dẫn, ta có phương trình dòng điện và điện thế:
do khi dẫn điện thế 2 đầu công tắc là V
Vf 0
= nên:
swon
t
t
I
i = ; 







−
=
swon
t
t
V
v 1 (1.12)
− Công suất tức thời:
















−
=
=
swon
swon t
t
t
t
VI
vi
p 1 = 







− 2
2
swon
swon t
t
t
t
VI (1.13)
− Năng lượng thất thoát trong thời gian khởi dẫn bằng:
Dòng điện I
Hiệu điện thế V
Công suất p
v,i
t
tswoff
tswon tswon
toff toff
ton
Chọn t=0

-7-
∫ =
=
swon
t
swon
swon VIt
pdt
W
0
6
1
(1.14)
− Phân giải tương tự ta có kết quả năng lượng thất thoát trong thời gian khởi ngưng
turn off bằng:
∫ =
=
swoff
t
swoff
swoff VIt
pdt
W
0
6
1
(1.15)
− Năng lượng thất thoát tổng cộng trong chu kỳ giao hoán bằng:
( )
swoff
swon
swoff
swon
sw t
t
VI
W
W
W +
=
+
=
6
1
(1.16)
− Công suất tiêu tán trong chu kỳ giao hoán:
( )f
t
t
VI
f
W
T
W
P swoff
swon
sw
sw
sw +
=
=
=
6
1
(1.17)
b. Trường hợp điện thế công tắc bán dẫn khác không ( 0
≠
f
V )
Hình 1.6 Dạng sóng đóng ngắt công tắc không lý tưởng.
− Do khi dẫn điện thế 2 đầu công tắc là V
Vf 0
≠ nên:








+








−
=
+
−
−
=
=
swon
f
swon
swon
f
swon t
t
V
t
t
V
V
t
t
V
V
v
t
t
I
i 1
)
(
; (1.18)
− Công suất tức thời trong thời gian khởi dẫn:
( ) 2
2
swon
f
swon t
t
I
V
V
t
t
VI
vi
p −
−
=
= (1.19)
− Năng lượng tiêu tán trong thời gian khởi dẫn:
∫ 





+
=
+
=
=
swon
t
swon
f
swon
f
swon
swon t
I
V
VI
It
V
VIt
pdt
W
0
2
1
3
1
3
1
6
1
(1.20a)
− Tương tự, năng lượng tiêu tán trong thời gian khởi ngưng:
Dòng điện I
Hiệu điện thế V
Công suất p
v,i
t
tswoff
tswon tswon
toff toff
ton
Vf
Chọn t=0

-8-
∫ 





+
=
+
=
=
swoff
t
swoff
f
swoff
f
swoff
swoff t
I
V
VI
It
V
VIt
pdt
W
0
2
1
3
1
3
1
6
1
(1.20b)
− Năng lượng trong suốt thời gian giao hoán:
( )
swoff
swon
f
swoff
swon
sw t
t
I
V
VI
W
W
W +






+
=
+
=
2
1
3
1
(1.21)
− Vậy công suất giao hoán tiêu tán trung bình tại tần số giao hoán bằng:
( )f
t
t
I
V
VI
f
W
P swoff
swon
f
sw
sw +






+
=
=
2
1
3
1
(1.22)
c. Công suất thất thoát tĩnh
Gọi thời gian công tắc giao hoán dẫn tĩnh là Ts , và thời gian dẫn thực tế
của công tắc là Ton , ta có:
( ) ( )
swoff
swon
s
swoff
swon
s
on t
t
f
D
T
t
t
T
T +
−
=
⇒
+
+
=
2
1
2
1
(1.23)
Với D là chu trình định dạng:
OFF
ON
ON
T
T
T
D
+
= (1.24)
Và Vf là điện thế 2 đầu công tắc khi dẫn, ta có công suất tĩnh tiêu tán trung
bình tại tần số f bằng:
( ) f
t
t
f
D
I
V
P swoff
swon
f
s 





+
−
=
2
1
(1.25)
1.3.3 Diode công suất
a. Diode chỉnh lưu
− Diode công suất khác diode công suất bé như thế nào?
− Diode công suất làm việc được với áp lớn là do đặc điểm nào?
− Diode công suất làm việc được với dòng lớn là do đặc điểm nào?
− Đặc tính phục hồi ngược của diode chỉnh lưu
Diode công suất hoạt động như diode công suất nhỏ (nối p-n) nhưng với dòng
điện lớn từ vài chục đến vài trăm Ampe.
− Hình dạng cấu tạo và ký hiệu như hình 1.7

-9-
Hình 1.7 Cấu tạo - ký hiệu - hình dạng Diode.
Diode công suất có cấu tạo như hình 1.5, ở đây chúng ta thấy rằng về chất
bán dẫn có những loại khác nhau như: N+
, P+
và N-
. Dấu (-) và (+) ở đây thể hiện
nồng độ pha tạp của các hạt tải ít hay nhiều. Do đó diode công suất phài có các
đặc tính sau:
− Diode công suất có cấu tạo đặc biệt hơn diode thường, lớp N-
được đưa vào để làm
tăng điện trở kênh dẫn giúp cho diode chịu được áp ngược cao
− Diode công suất làm việc được với dòng lớn thì diode phải có kích thước lớn, có
thể gắn được các tấm giải nhiệt.
− Diode công suất có cấu tạo khoảng cách kênh dẫn xa nhau, diện tích tiếp xúc lớn
nên điện áp rơi cũng lớn có thể lên đến 3V nhưng thường các nhà sản xuất chế tạo
là 1V.
− Thời gian hồi phục
Khi diode đang dẫn thình lình chuyển sang trạng thái ngưng, diode không
thể ngưng ngay mà có thời gian chuyển tiếp do sự hồi phục của các hạt tải trong
nối p-n làm dòng và thế có dạng như hình 1.8.

-10-
Hình 1.8 Thời gian hồi phục của Diode.
b. Diode Schottky
− Diode Schottky khác diode chỉnh lưu như thế nào?
− Diode Schottky làm việc được với áp lớn là do đặc điểm nào?
− Diode Schottky làm việc được với dòng lớn là do đặc điểm nào?
− Đặc tính quan trọng của diode Schottky so với diode chỉnh lưu?
Diode Schottky hay còn gọi là diode xung. Ở tần số thấp, diode thông thường
có thể dễ dàng khóa lại (ngưng dẫn) khi chiều phân cực thay đổi từ thuận sang
nghịch, nhưng khi tần số tăng đến một ngưỡng nào đó, sự ngưng dẫn không thể đủ
nhanh để ngăn chặn dòng điện suốt một phần của bán kỳ ngược. Diode Schottky
thực hiện tốt được điều này.
− Cấu tạo- ký hiệu:
Diode schottky thường được chế tạo bằng chất GaAs có cấu tạo và ký hiệu
diode Schottky:như hình 1.9
Hình 1.9 Cấu tạo và ký hiệu của Diode Schottky.
− Đặc tuyến được so sánh với diode nắn điện:
t
IRM
0,25.IRM
diR/dt
trr
t4 t5
t3
IF Qrr=IRMtrr/2
diF/dt
VF
t1 t2
VON
VR
VRM
S=t5/t4
t

-11-
Hình 1.10 Đặc tuyến của Diode Schottky.
Hình 1.11 Cấu trúc của Diode Schottky.
1.3.4 Transistor công suất
a. BJT (Bipolar Junction Transistor)
− Giải thích BJT công suất khác BJT công suất nhỏ như thế nào?
− Giải thích BJT làm việc được với áp lớn là do đặc điểm nào?
− Giải thích BJT làm việc được với dòng lớn là do đặc điểm nào?
− Giải thích BJT có dòng điều khiển lớn là do đặc điểm nào?
− Tính toán công suất thất thoát của BJT
− Giải thích mạch bảo vệ BJT chế độ on/off
Để chịu được dòng điện rất lớn, transistor phải có điện tích trong vùng phát thật
lớn, do đó các transistor công suất này được thiết kế với độ rộng vùng phát hẹp (để giảm
thiểu điện trở nền ký sinh) và có cấu trúc xen kẽ (interdigitated structure) của nhiều cực
nền và cực phát. Điện trở cực phát rất nhỏ.
ID(mA)
VD(Volt)
0 0,2 0,4 0,6 0,7
Diode
(silicon)
Diode
Schottky
Diode
Schottky
Diode
(silicon)

-12-
Hình 1.12 Cấu tạo – ký hiệu transistor công suất.
Sơ đồ ghép Darlington để tăng dòng ra như hình 1.11
Hình 1.13 Sơ đồ mạch dạng ghép Darlington
− Cấu trúc và đặc tính của transistor công suất
Cấu trúc của transistor công suất: Transistor công suất có cấu trúc lớp bán
dẫn và nồng độ pha tạp của từng lớp được mô tả như hình 1.14
Hình 1.14 Cấu trúc của transistor công suất
n
n-
n n n
p p
E
B
C
p
p-
p p p
n n
E
B
C
base
emitter
collector
PNP
BJT base
emitter
collector
NPN
BJT
IC
C
B
E
IB
D1
D2
M
β=IC/IB=βDβM + βD + βM
D

-13-
− Transistor công suất có đặc tính sau:
+ Độ lợi dòng nhỏ (20 – 100) và tuỳ thuộc vào dòng thu IC và nhiệt độ. Dòng thu
càng lớn độ lợi dòng càng nhỏ.
+ Ngoài hiện tượng huỷ thác do phân cực nghịch ra còn có hiện tượng huỷ thác
thứ cấp do transistor hoạt động ở điện thế và dòng điện lớn.
+ Đặc tuyến cho bởi hình 1.15
Hình 1.15 Đặc tuyến và vùng làm việc an toàn của transistor công suất
+ Quá trình quá độ của transistor như hình 1.16
Hình 1.16 Trạng thái đóng ngắt của transistor công suất
Ta thấy chỉ trong chế độ xung, điện tích hoạt động trong vùng an toàn
(SOA) được mở rộng hơn.
− Công suất thất thoát. Cách tính toán giống như trên cần các lưu ý sau:
+ Khi transistor dẫn bão hòa, ta có:
( )
T
t
I
V
T
t
I
V
I
V
P ON
CM
CEbh
ON
B
BEbh
CM
CEbh
ON ≈
+
= (1.26)

-14-
+ Khi transistor ngưng dẫn và dòng rỉ Ir rất bé, ta có:
T
t
I
V
P OFF
CC
OFF = (1.27)
+ Khi giao hoán, ta có:
( )
swoff
swon
CM
CC
swoff
swon
sw t
t
I
V
W
W
W +
=
+
=
6
1
(1.28)
+ Vậy công suất tiêu tán tổng cộng của transistor bằng:
( )f
W
W
t
P
t
P
P swoff
swon
OFF
OFF
ON
ON
Ttb +
+
+
= (1.29)
− Mạch bảo vệ Transistor
Để tránh nối C-E chịu điện thế quá lớn khi transistor chuyển trạng thái từ
dẫn đến ngưng ta mắc thêm mạch hỗ trợ theo như hình 1.17.
Hình 1.17 Mạch bảo vệ transistor công suất.
Khi transistor dẫn, điện thế VCEbh rất bé, tụ Cs xả (vì trước đó đã nạp đầy),
transistor hoạt động bình thường.
Khi transistor thình lình chuyển sang ngưng, điện thế cực thu tăng nhưng
không tăng nhanh đột ngột mà tăng từ từ do tụ Cs nạp điện, và giữ VCE gần như
không đổi sau khi tụ nạp đầy. Nhờ đó Transistor không bị phá huỷ vì điện thế cao
và dòng lớn hình 1.18.
Hình 1.18 Trạng thái đóng ngắt của transistor khi có bảo vệ.
VCC
R
Q
D
B
Cs
t
t
t
ic
is
vCE
Ic
0
0
tf
tf
Is

-15-
b. MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
− Mosfet công suất khác Mosfet công suất nhỏ như thế nào?
− Mosfet làm việc được với áp lớn là do đặc điểm nào?
− Mosfet làm việc được với dòng lớn là do đặc điểm nào?
− Mosfet có áp điều khiển lớn là do đặc điểm nào?
− Tính toán công suất thất thoát cho Mosfet
− Cấu tạo- ký hiệu
Hình 1.19 Cấu tạo và ký hiệu MOSFET công suất.
Các linh kiện VMOS có thể áp dụng tốt các ứng dụng ở tần số cao, công suất
lớn. Đồng thời có ưu điểm là có hệ số nhiệt độ âm nên tránh được hiện tượng trôi
nhiệt, dòng rỉ rất nhỏ và chúng còn có khả năng thực hiện chuyển mạch ở tốc độ
cao. VMOS có thể có các khoảng cách giữa các đường đặc tuyến bằng nhau theo
các giá trị bằng nhau của áp cổng, vì thế nó có thể sử dụng giống như BJT cho các
mạch khuếch đại tuyến tính công suất cao.
Hình 1.20 Mạch tương đương MOSFET công suất.
− Đặc tuyến:

-16-
Hình 1.21 Đặc tuyến MOSFET công suất.
− Nguyên tắc hoạt động:
Hình 1.22 Nguyên tắc hoạt động MOSFET công suất.
− Mosfet có những đặc tính sau:
+ Đặc tuyến có trị giới hạn tối đa, không có hiện tượng huỷ thác thứ cấp như ở
transistor công suất.
+ Dòng thoát IDS từ vài chục đến vài trăm Ampe, điện thế đánh thủng cực đại VBDS
từ 500V – 800V.
+ Điện trở động khi dẫn nhỏ RDSon vài chục mΩ.
+ Tổng trở vào rất lớn.
+ VGSmax lớn khoảng 20V.
+ Thời gian giao hoán nhanh khoảng f 100kHz.
+ Thời gian đáp ứng trên khoảng nhiệt độ rộng.
+ Thiết kế mạch điều khiển đơn giản.
+ Khác với Mosfet công suất nhỏ, dòng thoát IDS của Mosfet công suất cho bởi:
( )
TH
GS
D V
V
k
i −
= (1.30)
− Công suất thất thoát của VMOSFET. Cách tính tương tự như trên, ta có:
+ Công suất tổn hao khi dẫn:

-17-
( )
T
t
R
I
P ON
on
DS
D
ON
2
= (1.31)
+ Công suất tổn hao khi ngưng dẫn:
T
t
I
V
P OFF
DSS
DS
OFF max
= (1.32)
+ Năng lượng tổn hao khi khởi dẫn:
swon
D
DS
swon t
I
V
W max
6
1
= (1.33)
+ Năng lượng tổn hao khi khởi ngưng:
swoff
D
DS
swoff t
I
V
W max
6
1
= (1.34)
+ Công suất tổn hao trong thời gian giao hoán bằng:
( )f
W
W
P swoff
swon
sw +
= (1.35)
+ Công suất tổn hao tổng cộng của Vmosfet:
sw
OFF
ON
T P
P
P
P +
+
= (1.36)
− Bảo vệ cho Mosfet công suất
Cấu tạo khác biệt của MOSFET so với BJT làm cho linh kiện hoạt động tốt
mà không cần bảo vệ nhiều như BJT. Tuy nhiên, ta có thể sử dụng mạch RC nhỏ
mắc song song với ngõ ra của linh kiện để hạn chế tác dụng các dãy điện áp và các
xung nhiễu dao động xuất hiện khi linh kiện đóng.
Hình 1.23 Mạch bảo vệ Mosfet công suất.
c. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
− IGBT là linh kiện cải tiến của những linh kiện nào?
− IGBT có tín hiệu điều khiển là dòng hay áp, tại sao?
− IGBT có kênh dẫn dạng nào, tại sao?
− Cấu tạo, ký hiệu và mạch tương đương như hình 1.24

-18-
Là linh kiện kết hợp giữa đặc tính tác động nhanh và công suất lớn của
Transistor với điện thế điều khiển lớn ở cực cổng của MOSFET. Mạch cấu tạo có
dạng sau:
Hình 1.24 Cấu tạo - ký hiệu IGBT.
Hình 1.25 Mạch tương đương IGBT
− IGBT có đặc tuyến sau
Hình 1.26 Đặc tuyến làm việc IGBT.
− Công suất trên tải
+ Công suất trung bình cấp cho tải:
L
L
L
R
V
P
2
= (1.37)
p+
n-
p p
n n
n n
C
E E
G Cách điện
C
E
G

-19-
+ Với thời gian dẫn tON, ta có:
T
t
V
V ON
cc
L = (1.38)
+ Thay vào, ta được:
T
t
R
V
P ON
L
s
L 







=
2
(1.39)
+ Các công suất tiêu tán trong thời gian khởi dẫn Pswon và khởi tắt Pswoff tương tự
như ở transistor công suất ở trên, và công suất tiêu tán tổng cộng giao hoán:
( )( ) sw
swoff
swon
c
CEsat
swoff
swon
sw f
t
t
I
V
P
P
P +
=
+
= max
.
6
1 (1.40)
1.3.5 Thyristor
Giới thiệu lịch sử phát triễn của họ linh kiện 4 lớp bán dẫn trở lên
Họ Thyristor gồm các linh kiện công suất có cấu trúc gần với SCR (Thyristor gọi
theo phòng thí nghiệm Bell từ năm 1956 là SCR) và các linh kiện kích cho các linh kiện
công suất theo bảng tóm tắt như hình 1.24
Hình 1.27 Họ Thyristor.
Thyristor được ứng dụng trong các ứng dụng sau: relay, bộ nguồn cấp điện ổn
định, mạch trễ, công tắc tĩnh (công tắc giao hoán), điều khiển động cơ, mạch chopper,
mạch Inverter, biến tần trực tiếp (cycloconverter), mạch nạp accu, điều khiển nhiệt độ,
lò nung, mạch điều khiển pha…Nên SCR thường được sử dụng trong công nghiệp, các
xí nghiệp sản xuất, điều khiển công suất lớn…
a. SCR (Silicon Controlled Rectifier)
− SCR có cấu tạo và nguyên lý hoạt động như thế nào?
− Giải thích mạch tương đương của SCR so với BJT và Diode
− SCR làm việc được với áp lớn là do đặc điểm nào?
(4 lớp)
Họ Thyristor
Lưỡng hướng
(5 lớp) Đơn hướng
(4 lớp)
Lưỡng hướng
Mạch kích
SCR
0,8-1000A
100-1000V
LASCR
0,7A
100-600V
SCS
0,2A
100V
Đơn hướng
(4 lớp)
TRIAC
0,5-80A
100-600V
SUS
0,2A
6-10V
Diodee
Shockley
SBS
0,2A
6-10V
Diac
0,2A
6-10V
(5 lớp)
UJT

-20-
− SCR làm việc được với dòng lớn là do đặc điểm nào?
− SCR có phương pháp điều khiển như thế nào?
− Tính toán công suất thất thoát cho SCR
Còn được gọi là linh kiện chỉnh lưu có điều khiển làm bằng chất bán dẫn silic.
− Cấu tạo hình dạng và ký hiệu
Gồm 4 lớp pnpn ghép xen kẽ
Hình 1.28 Cấu tạo - ký hiệu - hình dạng SCR.
− Cấu trúc của SCR: để SCR có thể sử dụng được với dòng vá áp lớn, SCR có cấu
trúc các lớp bán dẫn và nồng độ hạt tải trên từng lớp như hình 1.29
Hình 1.29 Cấu trúc của SCR.
− Cách hoạt động
Có thể xem SCR như gồm 2 transistor npn và pnp ghép “ khoá chặt” như ở
hình 1.30.
A
J1 J2 J3
K
p1 n1 p2 n2
A
K
G
p2
p1
n1 n2
T1
T2
G
K
p
1
p
2
n
1
n
2
A
J1 J2 J3
iAG
iAK
K
p p
2
n
1
n2
A
G
J1 J2 J3
iGK
iA
+ _
+

-21-
Hình 1.30 mạch tương đương của SCR.
Khi phân cực nghịch (VA VK và VAK 0), các nối đều phân cực nghịch nên
ngưng dẫn, SCR ngưng dẫn, có dòng rỉ rất bé qua SCR.
− Công thức dòng IA
Ta có thể chứng minh điều kiện để SCR dẫn điện bằng cách xem SCR như
do sự ghép chặt của 2 transistor npn và pnp ở hình 1.30.
+ Ta có các công thức sau theo định luật Kirchhoff và do cách gọi các dòng IA và
IK:
G
A
K I
I
I +
= ; 1
E
A I
I = ; 2
E
K I
I =
+ Ngoài ra các công thức của transistor cho:
1
1
1
1 CBO
E
C I
I
I +
= α ; 2
2
2
2 CBO
E
C I
I
I +
= α
Và do: 2
1 C
B I
I =
+ Lần lượt thay các công thức trên vào nhau ta được:
( ) ( )
2
2
2
1
1
1
2
1
1
1
1 CBO
E
CBO
E
C
C
B
C
E
A I
I
I
I
I
I
I
I
I
I +
+
+
=
+
=
+
=
= α
α
( ) ( ) ( )
2
1
2
1
2
1
2
1 CBO
CBO
G
A
A
CBO
CBO
K
A I
I
I
I
I
I
I
I
I +
+
+
+
=
+
+
+
= α
α
α
α
( )
( )
2
1
2
1
2
1 α
α
α
+
−
+
+
=
⇒ CBO
CBO
G
A
I
I
I
I (1.41)
Từ công thức 1.74 ta rút ra được các trường hợp sau:
+ Khi ( ) 0
2
1 →
+α
α , dòng IA rất bé, SCR ngưng (OFF).
+ Khi ( ) 1
2
1 →
+α
α , dòng ∞
→
A
I (vô cùng lớn) , SCR dẫn (ON).
+ Khi IG càng lớn, SCR càng dẫn sớm hơn (và điện thế huỷ thác nhỏ hơn).
Có 5 cách làm tăng dòng anod IA để làm SCR từ trạng thái ngưng sang trạng
thái dẫn:
+ Tăng điện thế anod- catod, làm tăng dòng rỉ ICBO, làm xảy ra hiện tượng huỷ
thác ( ) 1
2
1 →
+α
α .
+ Tăng dòng cửa IG để các transistor nhanh chóng đi vào dẫn bảo hoà
+ Tăng nhiệt độ mối nối làm tăng dòng trong transistor.
A
K
G
p2
p1
n1 n2
T1
T2

-22-
+ Tăng tốc độ tăng thế dV/dt tạo dòng nạp cho điện dung nối p-n, làm cho
( ) 1
2
1 →
+α
α (ở Tj=1000C có dV/dt =200 µ V/sec).
+ Sử dụng năng lượng quang học như ánh sáng để làm dẫn các SCR quang
(LASCR – Light actived SCR)
− Đặc tuyến của SCR
Mạch điện để vẽ đặc tuyến SCR như ở hình 1.29, và đặc tuyến ở hình:
Hình 1.31 Đặc tuyến của SCR.
b. TRIAC (Triode Alternative Current)
− Triac có cấu tạo và nguyên lý hoạt động như thế nào?
− Mạch tương đương của Triac so với SCR
− Triac làm việc được với áp lớn là do đặc điểm nào?
− Triac làm việc được với dòng lớn là do đặc điểm nào?
− Triac có phương pháp điều khiển như thế nào?
− Cấu tạo, hình dạng và ký hiệu
Hình 1.32 Cấu tạo- ký hiệu - hình dạng Triac.
N4
N3
N1
P2
N2
P1
MT2
G
MT1
P
P
N
N
G
MT2
MT1
MT2
MT1
G
MT2
MT1
G
P
P
N
N
G
MT2
MT1
MT2
MT1
G

-23-
Hình 1.33 Cấu tạo tương đương của Triac.
Có thể xem Triac như gồm 2 SCR ghép đối song nhưng chỉ có 1 cổng kích
chung.
− Cấu trúc của triac: Triac có cấu trúc gồm 5 lớp bán dẫn như hình 1.34
Hình 1.34 Cấu trúc và hình dạng của Triac.
− Cách hoạt động:
Có 4 kiểu hoạt động:
Kiểu I+ Kiểu I- Kiểu II+ Kiểu II-
VMT1MT2 0 VMT1MT2 0 VMT1MT2 0 VMT1MT2 0
IG 0
(Dòng vào)
IG 0
(Dòng ra)
IG 0
(Dòng vào)
IG 0
(Dòng ra)
Dòng từ
MT1→MT2
Dòng từ
MT1→MT2
Dòng từ
MT2→MT1
Dòng từ
MT2→MT1
Trong 4 kiểu hoạt động trên, thì kiểu I- và kiểu kiểu II+ là nhạy nhất (dòng
kích nhỏ nhất), kiểu II- và kiểu I+ là chậm khó kích nhất.
Thí dụ: Với TRIAC ta thường có: Kiểu I+: IG = 90mA; Kiểu I-: IG = -40mA;
Kiểu II-: IG = -70mA; Kiểu II+: IG = 30mA. Với Triac 40668 ta có: IG = 10mA
(II+); IG =-15mA (I-); IG =-20mA (II-); IG =30mA (I+)
− Đặc tuyến Triac:
T2
Z
T1
U1 Z
T
U1
MT
MT
G
M
M
G

-24-
Hình 1.35 Đặc tuyến của Triac.
Triac là linh kiện có đặc tính dẫn điện cả 2 chiều trong điện AC. Hiện nay
Triac chỉ hoạt động với dòng lớn nhất 500A, VBR 1000V và tần số f 400Hz.
Đặc tính cổng của Triac tương tự như đã khảo sát ở SCR.
− Các cách kích:
Vì Triac dẫn trong cả 2 chiều nên cách kích bằng điện DC ít thông dụng hơn
cách kích bằng điện AC và bằng xung.
+ Kích bằng điện AC.
+ Kích bằng xung.
Mạch tạo xung được tạo nên từ UJT, IC 555, mạch số, Flip flop…, nhưng
đặc biệt vẫn là mạch dùng DIAC.
Để cải tiến, ta dùng mạch thời hằng đôi cho mạch kích và mạch hỗ trợ cho
Triac.
c. MCT (Mosfet Controlled Thyristor)
− MCT là linh kiện cải tiến của những linh kiện nào?
− MCT có tín hiệu điều khiển là dòng hay áp, tại sao?
− Những đặc tính của linh kiện nào được MCT cải tiến?
Để khắc phục các nhược điểm của SCR (tốc độ giao hoán chậm…) và công
suất thấp của MOSFET, người ta sản xuất linh kiện kết hợp khắc phục cả 2 nhược
điểm trên thành một linh kiện được gọi là MCT.
MCT có cấu tạo kết hợp công nghệ của SCR với ưu điểm tổn hao dẫn điện
thấp và khả năng chịu áp cao và của MOSFET với khả năng đóng ngắt nhanh.
+ Cấu tạo:

-25-
Hình 1.36 Cấu trúc của MCT.
MCT là linh kiện kết hợp giữa đặc tính tác động nhanh và công suất lớn của
SCR với điện thế điều khiển lớn ở cực cổng của MOSFET. Có hai loại MCT: N-
MCT và P-MCT, có được là do cách ghép của 2 MOSFET làm cổng như hình 1.35.
Hình 1.37 Mạch tương đương và ký hiệu MCT.
− Đặc tuyến của MCT:
MCT có đặc tuyến như SCR cổ điển vì không dẫn ở điện thế nghịch hình
1.38.
Hình 1.38 Đặc tuyến MCT.
d. GTO (Gate turn – off Thyristor)
− GTO là linh kiện cải tiến của những linh kiện nào?
− GTO có tín hiệu điều khiển là dòng hay áp, tại sao?
− Những đặc tính của linh kiện nào được GTO cải tiến?

-26-
Có cấu tạo phức tạp hơn SCR cổ điển để có thể tắt SCR đang dẫn bằng cách
cho xung âm vào cực G (mà trước đó đã làm SCR dẫn bằng cách cấp xung dương
vào G) hình 1.39.
Hình 1.39 Cấu tạo - ký hiệu - hình dạng GTO.
GTO có cấu tạo gồm bốn lớp pnpn tương tự với thyristor thông thường
(SCR)- hình 1.39, với các tính năng tương tự của thyristor với điểm khác biệt là
có thể điều khiển ngắt dòng điện qua nó. Mạch tương đương GTO được vẽ trên
hình 1.39 có cấu trúc tương tự mạch mô tả SCR nhưng có thêm cổng kích ngắt
mắc song song cổng kích đóng. Ký hiệu linh kiện GTO vẽ trên hình 1.39. Cấu
trúc thực tế (loại GTO đối xứng) hình 1.40.
Hình 1.40 Cấu trúc của GTO.
GTO được kích đóng bằng xung dòng điện tương tự như khi kích đóng SCR
thông thường. Dòng điện kích đóng được tăng đến giá trị IGM
và sau đó giảm xuống
đến giá trị IG
. Điểm khác biệt so với yêu cầu xung kích đóng SCR là dòng kích iG
phải tiếp tục duy trì trong suốt thời gian GTO dẫn điện hình 1.41
Hình 1.41 Mô tả dòng điều khiển GTO.
− Mở GTO như hình 1.42

-27-
Hình 1.42 Trạng thái đóng GTO.
− Đóng GTO hình 1.43
Hình 1.43 Trạng thái mở GTO.
Hình 1.44 Mạch bảo vệ GTO.
Diode của mạch bảo vệ phải có khả năng chịu dòng lớn bởi vì trong quá trình
sẽ xuất hiện dòng có biên độ lớn qua diode và tụ điện. Điện trở mạch bảo vệ có trị
số nhỏ và đảm bảo tụ xả điện hoàn toàn trong khoảng thời gian đóng ngắn nhất của
GTO khi vận hành. Khi GTO đóng, năng lượng tích trữ trên tụ sẽ phải tiêu tán hết
trên điện trở này. Vì thế, giá trị định mức công suất của điện trở khá cao.
e. IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor)
− IGCT là linh kiện cải tiến của những linh kiện nào?
− IGCT có tín hiệu điều khiển là dòng hay áp, tại sao?

-28-
− Những đặc tính của linh kiện nào được IGCT cải tiến?
− Cấu tạo và chức năng:
Sự cải tiến công nghệ chế tạo GTO thyristor đã dẫn đến phát minh công
nghệ IGCT.
GCT (Gate Commutated Thyristor) là một dạng phát triển của GTO với khả
năng kéo xung dòng điện lớn bằng dòng định mức dẫn qua catod về mạch cổng
trong GCT để đảm bảo ngắt nhanh dòng điện. Cấu trúc của GCT và mạch tương
đương của nó giống như của GTO.
IGCT là linh kiện gồm GCT và có thêm một số phần tử hỗ trợ, bao gồm cả
board mạch điều khiển và có thể gồm cả diode ngược.
Để kích đóng IGCT, dùng xung dòng điện được đưa vào cổng kích làm
đóng GCT tương tự như trường hợp GTO.
Để kích ngắt IGCT, mối nối pn base-emitter được phân cực ngược bằng
cách cung cấp nguồn ngược chiều. Điều này làm triệt tiêu dòng điện qua catod vì
toàn bộ dòng điện đi qua catod sẽ được đẩy sang mạch cổng với tốc độ rất nhanh
và biến GCT trở thành một transistor pnp.
Hình 1.45 Cấu tạo - ký hiệu IGCT.
Hình 1.46 Mạch tương đương IGCT.
Quá trình ngắt dòng điện của IGCT bởi tác dụng xung dòng kích cổng được
vẽ minh họa trên hình 1.43. Để có thể so sánh với quá trình ngắt dòng của GTO,
đồ thị của dòng cổng được vẽ cho hai trường hợp như hình 1.47.
A
K
G

-29-
Hình 1.47 Đặc tuyến của IGCT.
1.4 Tổng kết
So sánh và phân chia các linh kiện công suất theo dòng, áp và tần số
Khả năng hoạt động của các linh kiện bán dẫn công suất được so sánh theo hai
khía cạnh công suất mang tải và tốc độ đóng ngắt được minh họa ở hình 1.63 dựa theo
số liệu tra cứu năm 1998-1999 của hãng EUPEC.
Hình 1.48 Thống kê số liệu tra cứu năm 1998-1999 của hãng EUPEC.
100 kHz
10 kHz
1 kHz
1 MHz
500 A 1000 A 1500 A 2000 A 3000 A
I o
n
Frequency
1 kV
2 kV
3 kV
4 kV
5 kV
V
off
Thyristors
GTOs, IGCTs, ETOs
IGBT
s
MCT
s
BJTs
MOSFET
s

-30-
Chương 2 CHỈNH LƯU
Mục tiêu
− Giới thiệu kỹ thuật chỉnh lưu
− Phân tích nguyên lý hoạt động của các mạch chỉnh lưu
− Vẽ sóng vào ra cho các mạch chỉnh lưu một và ba pha
− Tính toán các đại lượng điện trên các loại tải R, R-L, R-L-E cho các mạch
chỉnh lưu một và ba pha
− Tính toán các đại lượng điện của 1 linh kiện cho các mạch chỉnh lưu một và
ba pha
− Phân tích hiện tượng trùng dẫn cho các mạch chỉnh lưu một và ba pha
− Phân tích và chúng minh các công thức cho diode dập
− Phân tích sóng hài cho các dạng mạch chỉnh lưu một và ba pha
− Giải các bài tập chỉnh lưu một và ba pha
2.1 Giới thiệu kỹ thuật chỉnh lưu
Mạch chỉnh lưu có công dụng chuyển đổi điện AC thành điện DC. Trong công
nghiệp còn sử dụng mạch chỉnh lưu có điều khiển để làm thay đổi công suất của tải
theo yêu cầu. Mạch chỉnh lưu có điều khiển thường áp dụng cách thay đổi góc kích
của SCR và được ứng dụng để điều chỉnh tự động cho các mạch sau: Nạp accu, hàn
điện, mạ điện, điện phân, điều khiển động cơ DC, truyền động điện …
Tuy trong công nghiệp đôi khi còn sử dụng các mạch chỉnh lưu không có
điều khiển (Diode ), nhưng trường hợp này có thể được xem là trường hợp của
SCR với góc kích được điều khiển bằng 0 độ.
Các bộ chỉnh lưu được dùng để chuyển nguồn điện xoay chiều thành dạng một
chiều, có thể ở dạng có điều khiển hay không điều khiển. Các mạch công suất lớn
thường nối vào nguồn 3 pha, trong khi các mạch công suất nhỏ hơn có thể được nối
vào nguồn 1 pha. Các bộ chỉnh lưu 1 pha không điều khiển bao gồm bộ chỉnh lưu bán
kỳ, bộ chỉnh lưu toàn kỳ, và bộ chỉnh lưu cầu. Các bộ chỉnh lưu không điều khiển chỉ
dùng các diode làm linh kiện chuyển mạch, do đó đặc tính ngõ ra chỉ phụ thuộc vào
tải, và chúng ta không thể thay đổi đặc tính này theo ý muốn.
Một cách để khắc phục vấn đề trên là thêm vào một điện cảm giữa bộ chỉnh
lưu và tụ điện (dùng để san phẳng dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu). Có thể hiểu là
điện cảm và tụ điện tạo thành một mạch lọc thông thấp bậc hai, sẽ lọc lấy thành phần
tần số thấp của điện áp sau chỉnh lưu có dạng đập mạch với tần số bằng 2 lần tần số
điện áp vào. Nếu điện áp vào được lấy từ lưới điện với tần số 50/60 Hz, chúng ta có
thể thấy rằng tần số cắt được yêu cầu đối với mạch lọc là khá thấp, do đó các giá trị
điện cảm và điện dung cần thiết sẽ khá lớn, vì tần số cắt tỷ lệ nghịch với căn bậc hai
của tích số điện cảm và điện dung. Một nhận xét có thể rút ra từ đây là nếu tần số của
điện áp tại ngõ vào mạch lọc là lớn hơn thì chúng ta có thể dùng các giá trị nhỏ hơn
cho điện cảm và điện dung trong mạch lọc.

Chương 2 – Chỉnh lưu
-31-
Một điều cần chú ý là khi giá trị điện cảm đủ lớn để đảm bảo dòng điện ngõ
vào là liên tục thì dạng sóng của dòng điện vẫn khác hình sin, đặc biệt là với giá trị
điện cảm rất lớn thì có thể coi dạng sóng dòng điện tại ngõ vào của mạch chỉnh lưu
là hình thang, có kể đến sự chuyển mạch giữa các diode trong mạch cầu.
Nói đến chỉnh lưu là nói đến giá trị điện DC, tức là quan tâm đến giá trị trung
bình của các đại lượng điện của chúng. Tuy nhiên ta cũng cần quan tâm đến đại lượng
hiệu dụng để so sánh và ứng dụng trong việc điều khiển tải AC hay phân tích sóng
hài.
2.2 Chỉnh lưu một pha
Mục tiêu của mục này giúp cho SV có được các kiến thức:
− Phân tích hoạt động của mạch chỉnh lưu một bán kỳ
− Vẽ dạng sóng mạch chỉnh lưu một bán kỳ
− Tính toán các đại lượng điện cho tải R, L, R-L, R-L-E
− Tính toán các đại lượng điện cho SCR hay Diode
− Tính toán cho mạch có diode dập
2.2.1 Chỉnh lưu bán kỳ
a. Tải R
− Sơ đồ mạch và dạng sóng vào ra:
a)
b)
Hình 2.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ tải R: a) Chỉnh lưu dùng diode, b)
chỉnh lưu dùng SCR
U2
R
D
U1
UAV
E
F
A
UL
π
IL
t
t
0 2π
U2
R
S
U1
E
A
F
α
UL
IG
t
t
π 2π
IL t
0

-32-
− Cách hoạt động:
+ Khi 0

i
V (Bán kỳ dương) và tại góc kích α , SCR dẫn, ta có dòng iL qua tải
tạo nên điện 2 đầu tải L
L
L R
i
v = .
+ Khi Vi 0 (Bán kỳ âm) SCR ngưng, dòng tải bằng không, điện thế 0
=
L
v .
Vậy SCR dẫn từ π
α ÷ và ngưng từ ( )
π
α
π 2
+
÷ .
− Tính toán cho tải
+ Điện thế tải trung bình:
( )
α
π
cos
1
2
+
= M
AV
V
V (2.1)
+ Dòng trung bình qua tải:
L
AV
AV
R
V
I = )
cos
1
(
2
α
π
+
=
L
M
R
V
(2.2)
+ Công suất trung bình trên tải:
AV
AV
AV I
V
P = (2.3)
+ Chú ý:
Khi α = 0 (Trường hợp diode), ta có:
π
M
AV
V
V = ;
L
M
AV
R
V
I
π
= (2.4)
Khi π
α = : 0
=
AV
V và 0
=
AV
I
+ Điện thế hiệu dụng:






+
−
=
π
α
π
α
2
2
sin
1
2
M
RMS
V
V (2.5)
+ Dòng điện hiệu dụng:
2
/
1
2
/
1
2
2
sin
1
2
2
2
sin
1
2






+
−
=






+
−
=
π
α
π
α
π
α
π
α M
L
M
RMS
I
R
V
I (2.6)
+ Công suất hiệu dụng của tải:






+
−
=
=
=
π
α
π
α
2
2
sin
1
4
2
2
2
L
M
L
RMS
L
RMS
RMS
R
V
R
V
R
I
P (2.5)
+ Dòng đỉnh và điện áp đỉnh trên tải:
nguon
M
tai
M V
V _
_ = ; nguon
M
tai
M I
I _
_ = (2.6)

-33-
− Tính toán cho linh kiện công suất (giá trị này phụ thuộc góc kích, nhưng ta tìm
giá trị cực đại cho linh kiện để đảm bảo an toàn trong thiết kế).
+ Dòng đỉnh qua mỗi SCR: Áp dụng định luật Ohm
tai
M
SCR
M I
I _
1
_ = (2.7)
+ Dòng trung bình qua mỗi SCR: Áp dụng định luật Kirchhoff về dòng điện
tai
Av
SCR
AV I
I _
1
_ = (2.8)
+ Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi SCR: Dựa vào sóng ra so với tải
nguon
M
SCR
RM V
V _
1
_ = (2.9)
b. Tải L
Đây là bài toán không xảy ra trong thực tế, nhưng ta khảo sát dạng này để có
thể dễ dàng hiểu được cách tính toán cho dạng tải R-L. Trong khi giải các bài toán
thực tế thường giá trị L được chọn là vô cùng lớn (thực ra là đủ lớn đối tần số tín
hiệu), tuy nhiên ở đây ta khảo sát một cách tổng quát nhất và từ đó sẽ xét trường hợp
cụ thể.
− Sơ đồ mạch
a)
b)
Hình 2.2 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ tải L: a) Chỉnh lưu dùng diode, b)
U2
L
D
U1
W®t =Li2
/2
E
F
A
UAV
t
V(
)
eL
t2
t1
IAV
t1
id
π
2
ϕ
eL =-L.(di/dt)
U2
L
S
U1
W®t =Li2
/2
E
F
A
α
t
Ud
id
eL
t2
π 2π
X
t
V( )

-34-
Do có dòng cảm ứng khi SCR ngưng nên vẫn còn dòng tải kéo dài hình 2.2.
− Tính toán các đại lượng
+ Phương trình dòng tức thời qua cuộn cảm:
dt
di
L
t
V
v M
L =
= ω
sin
t
td
L
V
di M
ω
ω
ω
sin
=
( )
t
L
V
t
td
L
V
t
i M
t
M
ω
α
ω
ω
ω
ω
ω
α
cos
cos
sin
)
( −
=
= ∫ (2.10)
+ Tính dòng tải trung bình:
( ) ( ) ( )
[ ]
β
α
α
α
β
ω
π
ω
ω
α
ω
π
β
α
sin
sin
cos
2
cos
cos
2
1
−
+
−
=
−
= ∫ L
V
t
d
t
L
V
I M
M
AV (2.11)
Chú ý:
Khi π
β = : [ ]
α
α
α
α
π
ω
π
sin
cos
cos
2
+
−
=
L
V
I M
AV (2.8)
Nếu có thêm 0
=
α ⇒
ω
L
V
I M
AV
2
= như trường hợp diode.
Thí dụ: Cho mạch chỉnh lưu có V
Vi 100
= ; Hz
f 50
= ; mH
L 20
= ; có góc
kích α = 300
=
3
π
; β = 3000
=
3
5π
. Tính dòng trung bình qua tải.
Giải
Tính được:
( )( )( )
A
IAV 7
,
13
3
5
sin
3
sin
3
cos
3
3
5
314
10
.
20
14
.
3
2
2
100
3
=












−
+






−
= −
π
π
π
π
π
+ Trường hợp dẫn liên tục khi góc tắt β = α + 2π , thay vào ta có:
[ ] [ ]
α
ω
α
π
ω
π
cos
cos
2
2 L
V
L
V
I M
M
AV =
= (2.12)
Tương tự ta cho các công thức có góc kích α = 00
sẽ được các công thức
dùng mạch diode
c. Tải R-L
− Tải là cảm kháng ZL (L, R).

-35-
a)
b)
Hình 2.3 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ tải R-L: a) Chỉnh lưu dùng diode, b)
Tương tự như trên, nhưng giải phức tạp hơn. Ta có phương trình vi phân:
t
V
Ri
dt
di
L M ω
sin
=
+ (2.13)
− Giải phương trình (2.13) ta có:
( ) ( ) ( )
Φ
−
+
−
Φ
=
−
t
Z
V
e
e
Z
V
t
i M
t
L
R
L
R
M
ω
α
ω
ω
α
ω
sin
sin
( ) ( ) ( )
( )






−
Φ
+
Φ
−
=
⇔
−
−
α
ω
ω
α
ω
t
L
R
M
e
t
Z
V
t
i sin
sin β
ω
t
0 (2.14)
Với :
Z
Lω
=
Φ
sin ;
Z
R
=
Φ
cos
U2
R L
D
U1
W®t =Li2
/2
E
F
A
V( ) UAV
t
eL
t2
t1
IAV
t1
id
π
2
π
ϕ
eL =-L.(di/dt)
E
U2
R L
S
U1
F
A α
Ud
id
eL
t2
π 2π
Xp
V( )

-36-
+ Liên hệ giữa góc kích và góc tắt












Φ
−
=
Φ
−
α
ω
β
ω
α
β L
R
L
R
e
e )
sin(
)
sin( (2.15)
− Điện thế trung bình của tải:
( )
β
α
π
ω
ω
π
β
α
cos
cos
2
sin
2
1
−
=
= ∫ M
M
AV
V
t
td
V
V (2.16)
− Dòng điện trung bình qua tải:
( )
β
α
π
cos
cos
2
−
=
R
V
I M
AV (2.17)
+ Khi π
β = : ( )
α
π
cos
1
2
+
= M
AV
V
V kết quả như trường hợp tải RL.
+ Khi π
α
β 2
+
= : 0
=
AV
V (dẫn liên tục)
− Diode dập (Free wheeling diode) tính theo giá trị trung bình
Để tránh dòng cảm ứng kéo dài khi SCR ngưng, ta dùng diode dập dòng
cảm ứng như ở hình 2.4a. Ta có điện thế và dòng điện chấm dứt ở cuối bán kỳ,
dòng cảm ứng sẽ chạy qua diode. Ta có dòng qua diode.
a)
b)
Hình 2.4 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ dùng diode dập: a) Chưa có diode dập,
b) có diode dập
S
U2
R L
U1
D0
iT
iD0
Ud
không có diode xả năng
lượng
U
α
id
eL
t2
t1
π
u
có diode xả năng lượng
α
Ud
id
eL
t1 π

-37-
( ) 




 +
+
=
+
=
π
π
α
α
π
π
π
α
2
cos
1
2
2 R
V
I
I M
LDC
D (2.18)
− Điều kiện để có dòng qua diode cực đại là:
( ) ( ) 0
2
2
sin
cos
1
=





 +
−
+
=
R
V
d
dI M
D
π
π
α
π
α
α
α
( ) α
π
α
α sin
cos
1 +
=
+ (2.19)
Vẽ trên đồ thị đường cong ( ) α
π
α sin
+ và đường thẳng ( )
α
cos
1+ , giao
điểm 2 đường cho ta trị số α hình 2.5.
Hình 2.5 Đồ thị tìm dòng cực đại qua diode .
α (0
) 0 30 45 60 90 135 150 180
1+cosα 2 1,85 1,6 1,5 1,0 0,5 0.13 0
( ) α
π
α sin
+ 0 1,85 2,75 3,45 4,7 3,285 2,5 0
Đồ thị cho trị số góc kích bằng 300
hay diode dẫn trong thời khoảng
( ) 0
0
0
210
180
30 =
+
=
+π
α .
− Thay vào biểu thức ID
ta có trị số I max
D
R
V
R
V
I M
M
D
π
π
54
,
0
360
210
2
3
1
max =














+
=
− Áp dụng tương tự cho trường hợp tính theo giá trị hiệu dụng
300 600 900 1200 1500 1800
1,85

-38-
t
V
E
Ri
t
i
L M ω
sin
d
d
o
o
=
+
+
( )
( )














+
−
−
=
otherwise
t
for
Ae
R
E
t
Z
V
t
i
t
M
0
sin β
ω
α
θ
ω
ω
ωτ
ω
( ) ωτ
α
β
α e
R
E
Z
V
A M






+
−
−
= sin
d. Tải R-L-E
Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu bán kỳ
2.2.2 Chỉnh lưu toàn kỳ
Mục tiêu của mục này
− So sánh với mạch chỉnh lưu một bán kỳ để suy ra kết quả của chỉnh lưu 2 bán
kỳ (toàn kỳ) trong trường hợp tải R.
− Lý luận tại sao tải R nếu tính giá trị trung bình thì kết quả sẽ được nhân 2, giá
trị hiệu dụng thì nhân √2 từ kết quả một bán kỳ
− Tính toán và vẻ sóng cho tải R-L, R-L-E
− Tính toán trường hợp có diode dập
a. Tải R
− Với tải RL thuần. Mạch điện theo hình 2.6
a)
E
D2
R
D1
U1
U2
U2
A
F
B
i1
i2
π
Id
0 2π
UAV
v2
R-L-E
S
v1
E
A
F
vo
u
ωt
6
π
3
π
2
π
0
3
2π
6
5π π
6
7π
3
4π
2
3π
3
5π
6
11π π
2
vO
io
?
=
α ?
=
α
E

-39-
b)
Hình 2.7 Mạch chỉnh lưu toàn kỳ tải R: a) Chỉnh lưu dùng diode, b) chỉnh
lưu dùng SCR
− Tính toán cho tải
+ Tính được các giá trị trung bình của tải: x2 (các công thức chỉnh lưu bán kỳ
x2)
+ Tính được các giá trị hiệu dụng qua tải: x√2 (các công thức chỉnh lưu bán kỳ
x√2)
− Tính toán cho linh kiện công suất.
+ Dòng đỉnh qua mỗi SCR: Áp dụng định luật Ohm
tai
M
SCR
M I
I _
1
_ = (2.24)
+ Dòng trung bình qua mỗi SCR: Áp dụng định luật Kirchhoff về dòng điện
2
_
1
_
tai
AV
SCR
AV
I
I = (2.25)
+ Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi SCR: dựa vào dạng sóng ra so với tải
nguon
M
SCR
RM V
V _
1
_ 2
= (2.26)
b. Tải R-L
+ Sơ đồ mạch
S1
A
S2
U1
R
U2
U2
L
B
F
E
α1 α2 α3
Ud
Id
p1 p2 p3
0
I1
I2
U
IG

-40-
Hình 2.8 Sơ đồ chỉnh lưu toàn kỳ sử dụng tải R-L.
Trường hợp dẫn không liên tục ( π
α
β +
)
Hình 2.9 Dạng sóng ra lưu toàn kỳ tải R-L dòng liên tục và không liên tục.
Giải tương tự ở chỉnh lưu bán kỳ, ta có các kết quả sau:
+ Dòng i(t)
( ) ( ) ( )
( )






−
Φ
+
Φ
−
=
−
− α
ω
ω
α
ω
t
L
R
M
e
t
Z
V
t
i sin
sin (2.30)
+ Hệ thức liên hệ giữa góc kích và góc tắt:
( ) ( )
( )
α
β
ω
α
β
−
−
Φ
−
=
Φ
− L
R
e
sin
sin (2.31)
+ Trị số trung bình hiệu điện thế và dòng điện:
( )
β
α
π
cos
cos −
= M
AV
V
V (2.32)
( )
β
α
π
cos
cos −
=
R
V
I M
AV
(2.33)
Trường hợp dẫn liên tục ( π
α
β +
= )
+ Ta có trị trung bình:
D2
R
D1
L
E
U1
U2
U2
A
F
B
i1
i2
A
S2
U1
R
U2
U2
S1
L
B
F
E
0
I
I1
I2
α1 α2 α3
Ud
X1 X X
α1 α 2 α3
U
I1
I2
0
I1
I2
Iđk

-41-
( ) α
π
β
α
π
cos
2
cos
cos M
M
AV
V
V
V =
−
= (2.34)
α
π
cos
2
R
V
I M
AV = (2.35)
+ Phân tích sóng hài cho mạch chỉnh lưu toàn kỳ
( ) ( )
∑
∞
=
+
+
=
1
0
0 cos
n
n
n
o t
n
V
V
t
v θ
ω
ω
( ) α
π
ω
ω
π
α
π
α
cos
2
sin
1
0 ∫
+
=
= M
M
V
t
d
t
V
V
2
2
n
n
n b
a
V +
=
( ) ( )
( ) ( )
...
6
,
4
,
2
1
1
sin
1
1
sin
2
1
1
cos
1
1
cos
2
=






−
−
−
+
+
=






−
−
−
+
+
=
n
n
n
n
n
V
b
n
n
n
n
V
a
M
n
M
n
α
α
π
α
α
π
L
jn
R
V
Z
V
I
and
R
V
I
where
I
I
I
o
n
n
n
n
n
n
RMS
ω
+
=
=
=






+
= ∑
∞
=
0
0
2
...
6
,
4
,
2
2
0
2
2.2.3 Hiện tượng trùng dẫn
Ở chế độ dòng liên tục, một SCR khi được kích sẽ làm tắt một SCR đang
dẫn. Ta nói là có hiện tượng chuyển mạch. Như trong chương 1, ta cho là sự
chuyển mạch không có thời gian, diễn ra tức thời. Thực tế luôn luôn có cuộn
cảm nối tiếp các mạch chỉnh lưu, có thể là tự cảm của đường dây hay của biến
áp cấp điện và như vậy dòng qua chỉnh lưu không thay đổi tức thời. Có khoảng
thời gian hai chỉnh lưu cùng làm việc. Vì vậy, hiện tượng chuyển mạch còn gọi
là sự trùng dẫn giữa 2 hay nhiều hơn chỉnh lưu nối chung anod hay catod. Hình
2.11 cho ta mạch điện để khảo sát sự chuyển mạch trong hệ n pha, giữa SCR 1
của pha 1 và SCR 2 của pha 2. Khi kích SCR2, SCR1 đang dẫn dòng tải I0, giả
sử không đổi trong thời gian khảo sát. Ta có sự chuyển mạch dòng tải từ SCR1
sang SCR2, có các phương trình:
dt
di
dt
di
i
i
I 2
1
2
1
0 −
=
⇒
+
=
dt
di
L
dt
di
L
dt
di
L
v
v a
a
a
1
2
1
2
1 2
=
−
=
− (2.36)

-42-
Điều kiện ban đầu: 0
0
1 I
i t =
=
ω ; 0
0
2 =
=
t
i ω (2.37)
khi chọn lại gốc tọa độ là điểm chuyển mạch tự nhiên
suy ra:
2
2
1
1
1
0
v
v
dt
di
L
v
v a
+
=
−
=
Như vậy, sự chuyển mạch làm cho ngõ ra bị sụt áp, vì khi chuyển mạch
áp ra bằng trung bình cộng hai áp lưới thay vì áp pha dương hơn so với trường
hợp chuyển mạch tức thời.
Trong các tài liệu tham khảo, người ta tính được trị trung bình áp ra bị
sụt giảm một lượng, gọi là sụt áp do chuyển mạch, trong hệ chỉnh lưu m xung
là:
a
a
a
x L
X
I
mX
U ω
π
=
=
∆ ;
0 (2.38)
Và góc chuyển mạch µ - tương ứng thời gian có trùng dẫn – là nghiệm
của phương trình:
( )
nm
a
V
I
X
2
2
cos
cos 0
=
+
− µ
α
α (2.39)
với nm
V là hiệu dụng áp dây giữa hai pha tham gia chuyển mạch.
Trùng dẫn ở đây chỉ xét trong trường dòng qua tải liên tục trong mạch chỉnh
lưu một pha toàn kỳ có điều khiển tải R-L. Do dòng ra liên tục nên lúc SCR của
bán kỳ này chuẩn bị tắt và SCR của bán kỳ kia lại bắt đầu dẫn khi đó xảy ra hiện
tượng trùng dẫn và dạng sóng ra như hình vẽ.
Hình 2.11 Hiện tượng trùng dẫn.
α1 α2 α3
Ud
I1
I2
0
I1
I2
I2
I2
X1
X2 X
U

-43-
+ Diode dập trong mạch chỉnh lưu toàn kỳ (tính theo giá trị trung bình)
a)
b)
Hình 2.12 Diode xả năng lượng trong mạch chỉnh lưu toàn kỳ. a) Sơ đồ
nguyên lý, b) dạng sóng vào ra
Khi có Diode dập dẫn dòng cảm ứng, góc tắt sẽ là π
β = . Dòng qua diode
dập trong khoảng từ π đến α
π+ hay α
π
α
π =
−
+ )
( , vậy có.
( )
α
π
π
α
π
α
cos
1 +
=
=
R
V
I
I M
AV
D
(2.40)
Điều kiện để có dòng diode cực đại là:
( ) 0
sin
cos
1
0 =





 −
+
=
⇒
=
π
α
α
α
π
α
α R
V
d
dI
d
dI M
D
D
hay
α
α
α sin
cos
1 =
+ (2.41)
Giải bằng đồ thị, ta có bảng biến thiên và đồ thị hình 2.13
S2
U1
R
U2
U2
S1
L
D0
E
A
B
F
α1 α2 α3
Ud
0
IG
I1
I2
X1
X2 X3
α1 α2 α3
Ud
Id
p3
0
I1
I2
U

-44-
Hình 2.13 Đồ thị tìm dòng cực đại qua Diode .
α 0 30 45 60 90 120 135 150 180
α
cos
1+ 2 1,85 1,6 1,5 1,0 0.5 0,3 0.13 0
α
α sin 0 0,26 0,55 0,85 1,57 2,0 1,45 1,2 0
Giao điểm của 2 đường cho ta nghiệm =
α 740
Vậy dòng điện diode cực đại bằng:
( ) AV
M
M
D I
R
V
R
V
I 26
,
0
26
,
0
180
74
74
cos
1 0
0
0
max =






=








+
=
π
π
Và trong 1 chu kỳ sóng vào diode dẫn 2 lần
Áp dụng tương tự cho trường hợp tính theo giá trị hiệu dụng
a.Tải R-L-E
Tải R, L và Vdc cho sẵn
+ Trường hợp này góc kích phải:








≥ −
M
dc
V
V
1
sin
α và 







−
≤ −
M
dc
V
V
1
sin
π
α
+ Dòng tức thời:
( ) ( ) τ
ω
ω
t
dc
M
Ke
R
V
t
Z
V
t
i
−
+
−
Φ
−
= sin khi β
ω
α
t
= 0 khi π
ω
β 2

t
300 600 900 1200 1500 1800
2
740

-45-
Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng chỉnh lưu hai bán kỳ
+ Dòng trung bình:
R
V
V
I dc
AV
AV
−
= (2.42)
α
π
cos
2 M
AV
V
V = (2.43)
Khi
2
π
α : VAV 0 SCR hoạt động bình thường
Khi
2
π
α : VAV 0 SCR không hoạt động được
Muốn SCR hoạt động được ta phải đảo ngược chiều nguồn Vdc lại
Trong trường hợp tải là động cơ DC, thì Vdc chính là sức điện động của
động cơ. Động cơ sẽ hoàn trả năng lượng tích luỹ trong động cơ vào mạng điện
AC khu vực. Đúng hơn trường hợp này động cơ DC (máy điện DC) trở thành
máy phát điện và bộ chỉnh lưu (bộ biến đổi) hoạt động nghịch lưu (Inverter).
Khi
2
π
α = : VAV = 0
+ Tóm lại ta có:
→

2
0
π
α chỉnh lưu
→

π
α
π
2
nghịch lưu
2.2.4 Sơ đồ cầu một pha
Chỉnh lưu cầu một pha trong lĩnh vực điện tử công suất, ta chỉ quan tâm đến
sơ đồ mạch và phương pháp điều khiển. Việc tính toán thực hiện hoàn toàn giống như
u
ωt
6
π
3
π
2
π
0
3
2π
6
5π π
6
7π
3
4π
2
3π
3
5π
6
11π π
2
vO
io
?
=
α ?
=
α
E

-46-
mạch chỉnh lưu dạng cầu, và nếu chúng ta bỏ qua các giá trị của dòng áp trên linh
kiện chỉnh lưu (diode hay SCR) thì hoàn toàn có thể sử dụng các công thức tính toán
của mạch toàn kỳ. Chỉ khác trong khi tính toán các đại lượng điện đặt lên các linh
kiện.
a. Chỉnh lưu cầu diode
Hình 2.15 Chỉnh lưu cầu dùng Diode .
b. Chỉnh lưu cầu điều khiển bán phần
Hình 2.16 Chỉnh lưu cầu điều khiển bán phần.
U,i
UEF id tải R id tải L
π 2π 3π
0
t
D4 D1
U
D3
L
D2
R
A
B
F
E
U
R
S1
S2
L
D2
D1
A
B D1 D2
S2 S1
R L
U
B
A
IS1
IS2
ID1
ID2
α1 α 2 α3
Ud
Id
0
t1 t2 t3
Ud
Id
IS1
IS2
ID1
ID2
0
IL=
IL=

-47-
c. Chỉnh lưu cầu điều khiển toàn phần
Hình 2.17 Chỉnh lưu cầu điều khiển toàn phần.
2.3 Chỉnh lưu ba pha
2.3.1 Nguồn điện ba pha
UEF id
U,i
id
π 2π 3π
0
IS1,2
IS3
α1 α2
X1,2
X3,4
S4 S1
U
S3
L
S2
R
A
B
F
E

-48-
L
L
N
L
AB
AN
v
v
v
v
−
− =
↔
=
3
3
Nguồn ba pha được biểu diễn theo dạng tam giác vector, để xây dựng
các nguồn up và ud
Hoặc biểu diễn theo tam giác ngược
van
a
c
b
n
-vcn
-van
-vbn
vcn
vbn
vca
vbc
vab
120
o
120
o 120
o
-30
o
+30
o
( )
an
cn
ca V
V
V −
+
= ( )
bn
an
ab V
V
V −
+
=
( )
cn
bn
bc V
V
V −
+
=
t
V
v M
AN ω
sin
=
( ) 





+
=
+
=
3
2
sin
120
sin 0 π
ω
ω t
V
t
V
v M
M
BN
( ) 





+
=
+
=
3
4
sin
240
sin 0 π
ω
ω t
V
t
V
v M
M
CN
( ) 





−
=
−
=
6
sin
3
30
sin
3 0 π
ω
ω t
V
t
V
v M
M
AB
( ) 





+
=
+
=
6
sin
3
30
sin
3 0 π
ω
ω t
V
t
V
v M
M
CA

-49-
2.3.2 Sơ đồ hình tia
Nội dung này giúp SV hiểu biết các kiến thức:
− Phân tích hoạt động của mạch chỉnh lưu dạng hình tia
− Vẽ được dạng sóng mạch chỉnh lưu hình tia
− Thiết lập được công thức tính toán cho tải R, R-L của mạch chỉnh lưu
hình tia
− Xây dựng công thức tính cho một linh kiện
a. Tải R
Trong hệ thống 3 pha các pha lệch nhau 1200
và được biểu diễn như sau:
t
V
v M
an ω
sin
=
( ) 





−
=
−
=
3
2
sin
120
sin
π
ω
ω t
V
t
V
v M
M
bn
( ) 





−
=
−
=
3
4
sin
240
sin
π
ω
ω t
V
t
V
v M
M
cn
− Sơ đồ nguyên lý
van
a
c
b
n
-vcn
-van
-vbn
vcn
vbn
vca
vbc
Vab
120
o
120
o
120
o
+30
o
-30
o
( )
an
cn
ca V
V
V −
+
= ( )
bn
an
ab V
V
V −
+
=
( )
cn
bn
bc V
V
V −
+
=

-50-
Dạng mạch sử dụng diode
Hình 2.17 Chỉnh lưu ba pha hình tia dùng Diode .
Dạng mạch sử dụng SCR
t1 t2 t3 t4
Ud
Id
UT1
I1
I2
I3
0
Ud Id
0,5Um
ax
D1
B D2
C D3
A
R
N
E
B
C
D1
D2
D3
A
R
L
S1
B S2
C S3
A
R

-51-
Hình 2.18 Chỉnh lưu ba pha hình tia dùng SCR.
Các SCR chỉ dẫn khi có điện thế dương cấp 2 đầu SCR có trị lớn nhất
và đồng thời có xung kích hiện diện.
− Nguyên lý hoạt động
+ Khi α
π
ω
α +

6
5
t : van vbn vcn ;van 0: SCR1 dẫn; SCR2, SCR3
ngưng, ta có dòng iL qua tải và điện thế trên 2 đầu tải bằng:
L
M
L
AK
M
L
R
V
R
V
V
i =
−
= ; L
L
L R
i
v =
+ Khi α
π
ω
π
α +

+
6
9
6
5
t : vbn van vcn ; vbn 0: SCR2 dẫn; SCR1 và
SCR3 ngưng, ta có kết quả tương tự như trên.
+ Khi α
π
ω
π
α +

+
6
13
6
9
t : vcn vbn van ; vcn 0: SCR3 dẫn; SCR2 và
SCR1 ngưng ta có kết quả tương tự như trên.
t1 t2 t3 t4
Ud
α
X3
X2
X1
α α
u
Xung kích sau góc dẫn
t1 t2 t3 t4
u
0
Ud
Góc dẫn ban đầu
X1
X2
X3

-52-
Hình 2.19 Góc dẫn ban đầu.
Tóm lại mỗi SCR dẫn trong thời khoảng tối đa 2π /3, ta tính được trị
trung bình trong hai trường hợp
− Tính cho tải
Khi 0 α π /6 (dẫn liên tục)
Hình 2.20 Dẫn liên tục và không liên tục.
Ud
Id
t1 t2 t3 t4
u
X1
X2
X3
0
Góc kích ban đầu
α
Ud Id
t1 t2 t3 t4
u,i
US1
I1
I2
I3
0
u,i
US1
I1
I2
I3
t1 t2 t3 t4
Ud Id
0

-53-
α
π
π
ω
π
ω
ω
π
π
α
π
α
π
α
π
α
cos
3
sin
3
cos
2
3
sin
2
3 6
5
6
6
5
6
M
M
M
AV
V
t
V
t
td
V
V =
−
=
=
+
+
+
+
∫
α
π
cos
2
3
3 M
AV
V
V = (2.57)
Khi 0
=
α : M
M
AV V
V
V
π
π
π 2
3
3
0
cos
3
sin
3 0
=
= , trường hợp không điều khiển
(diode)
Khi
6
5
6
π
α
π

(Dẫn không liên tục)
Tính được:
( )












+
+
=
−
=
= +
+
∫
α
π
π
ω
π
ω
ω
π
π
π
α
π
π
α
6
cos
1
2
3
cos
2
3
sin
2
3
6
6
M
M
M
AV
V
t
V
t
td
V
V
(2.58)
− Tính toán cho linh kiện công suất (giá trị này phụ thuộc góc kích, nhưng ta tìm
giá trị cực đại cho linh kiện để đảm bảo an toàn trong thiết kế).
+ Dòng đỉnh qua mỗi SCR:
tai
M
SCR
M I
I _
1
_ = (2.59)
+ Dòng trung bình qua mỗi SCR:
3
_
1
_
tai
Av
SCR
AV
I
I = (2.60)
+ Điện áp ngược cực đại đặt lên mỗi SCR:
nguon
M
SCR
RM V
V _
1
_ 3
= (2.61)
b. Tải R-L
Hình 2.22 Chỉnh lưu ba pha hình tia có điều khiển tải R-L.
S1
B S2
C S3
A
R
L

-54-
Hình 2.23 Dạng sóng ra trong trường hợp tải R-L.
Thường chọn trị số L rất lớn để xem như dòng điện qua tải gần như
không
đổi, ta có:
α
π
cos
2
3
3 M
AV
V
V = (2.62)
Do đó khi : 0 α
2
π
: 0

AV
V
Khi:
2
π
α = : 0
=
AV
V
Khi: π
α
π

2
: 0

AV
V
Khi có diode dập: Trong trường hợp tải R-L. Khi có diode dập dạng sóng
ra có dạng như mạch sử dụng tải R. Sơ đồ mạch và dạng sóng ra như hình 2.23.
α1 α2 α3 α4
u
US1
Id
I1
I2
0
I3
α300
Ud
Id
US1
Id
I1
I2
0
t1 t2 t3 t4
UAB
UAC
α300

-55-
Hình 2.24 Diode dập trong mạch chỉnh lưu ba pha hình tia.
c. Hiện tượng trùng dẫn
− Xét sơ đồ có tải điện cảm lớn để dòng qua tải là liên tục:
Hình 2.25 Hiện tượng trùng dẫn trong chinh lưu ba pha.
− Xét trùng dẫn hai pha A và C:
u
0
Id
ID
I1
I2
I3
α1 α2 α3
Ud
α1 α2 α3 t
Id
I1
I2
0
-UB -UC -UA
β2
β1 β3
I3
S1
B S2
C S3
A
R
L=∞
D

-56-
Hình 2.26 Pha A và B trùng dẫn.
− Hình dạng điện áp tại nơi trùng dẫn
Hình 2.27 Điện áp tại nơi trùng dẫn.
2.3.3 Cầu ba pha điều khiển đối xứng
− Phân tích hoạt động của mạch chỉnh lưu dạng hình cầu
− Vẽ được dạng sóng mạch chỉnh lưu hình cầu
− Thiết lập được công thức tính toán cho tải R, R-L của mạch chỉnh lưu
hình cầu
a. Tải R
Mạch sử dụng diode như hình 2.28
− Sơ đồ nguyên lý
I1
Id
α=600
u
α1
-UB/2
α2 α3
Ud
UA UB UC
β2
β1
0
S1
C
A
R
L=∞
iA
iC
A
S3
u
0
(UA-UC)/2
= -UB/2
UC/2
UA
UB
UC
γ
S1
C
A
R
L=∞
iA
iC
A
S3

-57-
Hình 2.28 Chỉnh lưu cầu ba pha dùng diode .
− Dạng sóng vào ra
Hình 2.29 Dạng sóng vào ra của chỉnh lưu cầu ba pha sử dụng diode .
Do trong chỉnh lưu toàn kỳ các nhóm SCR 1, 3, 5 dẫn trong bán kỳ dương điện
thế và các nhóm SCR 2, 4, 6 dẫn trong bán kỳ âm của các đường dây- đường dây (L-
L) và được biểu diễn như ở Hình 2.29.
Mạch sử dụng SCR
D2
R
D4
D6
D1
D3
D5
A B C
F
+
-
D2
R L
D4
D6
D1
D3
D5
A B C
F
+
-
θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ6
θ7
Ud
Uf
0
I5
I4
I3
I1
I2
I6
A B C A
Id
ϕE
ϕF
13,4

-58-
− Sơ đồ mạch
Hình 2.30 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển toàn phần.
− Mô tả trình tự làm việc:
Ta có:
( ) ( )
n
l
M
l
l
M V
V −
− = 3
S4
Tải
S6
S2
S1
S3
S5
A B C
E
F
Hình 2.31 Thứ tự làm việc
S1
S3
S5
S2
S6
S4
S1
S3
S5
S1
S3
S5
S1
S3
S5
S1
S3
S5
S1
S3
S5
S2
S6
S4
S2
S6
S4
S2
S6
S4
S2
S6
S4
S2
S6
S4
A B C
A B C
A B C
A B C
A B C
A B C

-59-
...
3
;
3
;
3 cn
ca
bn
bc
an
ab V
V
V
V
V
V =
=
=
và lệch pha nhau 300
Các cặp SCR dẫn tùy theo góc kích và được ghi trên hình vẽ. Có 3 trường hợp:
Khi
3
0
π
α







3
2
3
π
ω
π
t : Dẫn liên tục
Hình 2.32 Dạng sóng dẫn liên tục.
Tính toán các đại lượng
+ Trị số trung bình của tải:
( ) ( )
3
2
3
3
2
3
3
3
cos
3
3
sin
3
3 π
α
π
α
π
α
α
π
π
π
α
ω
π
ω
ω
π
+
+
−
−
+
=
+
+
+
−
=
= ∫ t
V
t
td
V
V n
l
M
n
l
M
AV
( ) ( )
( ) α
π
α
π
π
π
α
π
cos
3
3
cos
6
sin
3
6
6
sin
cos
2
3
3
n
l
M
n
l
M
n
l
M
V
V
V
−
−
−
=
=
=
(2.63)
+ Chú ý: Khi 0
=
α ( )
3
π
ω =
t
Trường hợp chỉnh lưu cầu 6 Diode, ta còn lại:
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
l
l
hd
l
l
M
l
l
M
n
l
M
n
l
M
AV V
V
V
V
V
V −
−
−
−
− =
=
=
=
= 35
,
1
955
,
0
3
3
3
6
sin
3
6
π
π
π
π
(2.64)
+ Dòng trung bình của SCR:
( )
3
LDC
SCR
AV
I
I = (2.65)
α = 300
A B C A
X1
α1 α2 α3 α4 α5 α6 α7
Ud
Uf
I5
0
I4
I3
I1
US1
I2
I6
X5
X2
X3
X6
X4
X4-5
Id
X6

-60-
+ Dòng hiệu dụng của tải:
( )
π
α
π 2
cos
3
3
2
2
3 +
=
−
R
V
I
n
l
M
RMS (2.66)
+ Dòng hiệu dụng của nguồn cấp điện AC:
( ) ( ) LDC
AC
RMS I
I 3
2
= (2.67)
Khi
3
2
3
π
α
π








π
ω
π
t
3
2
: Dẫn không liên tục
Hình 2.33 Dạng sóng dẫn không liên tục.
− Trị số trung bình của tải:
( ) ( ) =
−
=
= +
−
−
+
∫
π
π
α
π
π
α
ω
π
ω
ω
π 3
3
cos
3
3
sin
3
3
t
V
t
td
V
V n
l
M
n
l
M
AV
= ( ) ( ) 











+
+
=












+
+ −
−
3
cos
1
3
3
cos
1
3
3 π
α
π
π
α
π
l
l
M
n
l
M V
V (2.68)
− Chú ý: Khi 3
2π
α = : 0
=
LDC
V
− Dòng trung bình qua SCR và của nguồn cấp điện AC tính như
trên
− Dòng hiệu dụng của tải
( )
( )
π
π
α
α
π 3
2
sin
3
6
4
2
3
_
−
−
−
=
−
R
V
I
n
l
M
RMS
L
(2.69)
− Hệ số dợn sóng
A B C
A
α1 α2 α3 α4 α5 α6
Ud
Uf
I5
0
I4
I3
I1
I2
I6
X1
X5
X2
X3
X6
I
X6
X4
X5

-61-
1
2
2
−
=
LDC
Lhd
I
I
RF (2.70)
Ví dụ hai trường hợp dẫn không liên tục ở góc kích 600
và 900
Hình 2.34 Hai dạng sóng ở góc kích 600
và 900
.
b. Tải R-L
Ta xem mạch có cảm kháng lớn nên dòng điện gần như không đổi (dẫn liên
tục)
( ) ( ) α
π
α
π
cos
3
cos
3
3
l
l
M
n
l
M
AV V
V
V −
− =
= (2.71)
Tùy theo góc kích mà ta có trị VAV dương, bằng không hay âm:
+ Khi 2
0 π
α ≤
: 0

AV
V (Chỉnh lưu)
+ Khi 0
=
α : 0
=
AV
V
+ Khi π
α
π
≤
2
: 0

AV
V (Nghịch lưu)
Tuy nhiên, điều này không thể xảy ra với mạch trên vì SCR chỉ dẫn khi điện
thế dương tác động trên nó, do đó điều này chỉ xảy ra nếu ta mắc thêm điện thế DC
âm nối với tải R, L như đã biết ở chỉnh lưu bán kỳ 3 pha (còn gọi là tải tác động). Với
tải là máy điện, tải sẽ là động cơ DC khi VAV 0 và tải là máy phát điện khi VAV
0, máy sẽ hoàn trả năng lượng điện đã tích tích trữ được.
+ Dòng trung bình của tải:
3
AV
AV
V
I = (2.72)
+ Dòng trung bình của SCR:
U
U
A B C A
α = 600
U
U
A B C A
α = 900

-62-
3
/
AV
RMS
SCR
AV
SCR I
I
I =
= −
− (2.73)
+ Dòng hiệu dụng của tải:
AV
L
RMS
L I
I −
− = (2.74)
+ Trị số điện thế đỉnh ngược cực đại:
M
RM V
V 3
2
= (2.75)
+ Điện thế hiệu dụng của tải (ngõ ra):
( ) α
π
2
cos
8
3
3
4
1
3
2 +
= M
RMS V
V (2.76)
2.3.4 Cầu ba pha điều khiển không đối xứng
− Phân tích hoạt động của mạch chỉnh lưu dạng hình cầu
− Vẽ được dạng sóng mạch chỉnh lưu hình cầu
− Thiết lập được công thức tính toán cho tải R, R-L của mạch chỉnh lưu hình
cầu
− Tính toán họa tần cho mạch chỉnh lưu ba pha
a. Tải R
Cầu ba pha điều khiển không đối xứng hay còn gọi là bán cầu chỉnh lưu
toàn kỳ 3 pha. Mạch chỉnh lưu gồm 3 SCR và 3 Diode như hình 2.35.
Hình 2.35 Chỉnh lưu ba pha điều khiển bán phần.
D1 S1
Tải
D2
D3
S2
S3
A B C
S1 D1
Tải
S2
S3
D2
D3
A B C

-63-
Khi
6
0
π
α
(theo áp pha): Dẫn liên tục
Hình 2.36 Dạng sóng ra liên tục.
Ta có thể tính bằng cách tổng cộng 2 kết quả chỉnh lưu bán kỳ 3 pha có điều
khiển (3 SCR) ở bán kỳ dương và chỉnh lưu không điều khiển (3 Diode) ở bán kỳ âm:
( ) ( )
SCR
AV
Diode
AV
AV V
V
V +
= α
π
π
cos
2
3
3
2
3
3 M
M V
V
+
= ( )
α
π
cos
1
2
3
3 )
(
+
= −n
l
M
V
( )
α
π
cos
1
2
3 )
(
+
=
−l
l
M
AV
V
V (2.77)
Ta có thể tính như đã tính ở trường hợp cầu chỉnh lưu 3 pha
( )
α
π
π
ω
ω
π
ω
ω
π
π
π
α
π
π
α
cos
1
6
sin
3
3
sin
3
2
3
sin
3
2
3 3
2
3
3
2
3
+
=
+
= ∫
∫
+
+
M
M
M
AV
V
t
td
V
t
td
V
V
( )( ) ( )( )
α
π
α
π
cos
1
2
3
cos
1
3
2
3
+
=
+
= −
− l
l
M
n
l
M
AV V
V
V (2.78)
Điện thế chuẩn hóa ngõ ra: (ở tải)
X1
X2
X3
α1 θ1 α2 θ2 α3 θ3 α4
Ud
A B C A
Uf
IS1
0
IS2
IS3
ID1
ID2
ID3
Id
α=300

-64-
( ) 2
cos
1 α
+
=
=
−
−
l
l
M
AV
n
l
V
V
V (2.79)
Điện thế hiệu dụng ngõ ra:
π
α
π
α
α
α
π
π 2
2
sin
1
2
3
2
sin
2
1
4
3
3 +
−
=






+
−
= M
M
RMS V
V
V (2.80)
Khi
6
5
6
π
α
π

(theo áp pha): Dẫn không liên tục
Hình 2.37 Dạng sóng ra không liên tục.
dt
t
v
T
V
P
T
t
t
p
AV ∫
+
=
0
0
)
(
1














+
+
+
=
+
= α
π
π
π 6
cos
1
2
3
2
3
3
3
_
3
_
M
M
SCR
AV
diode
AV
AV
V
V
V
V
V












+
+
+
=
3
)
6
cos(
1
1
2
3
3
α
π
π
M
AV
V
V (2.81)
Chú ý: Khi 0
=
α trở về trường hợp cầu chỉnh lưu 6 diode điện thế ra trung
bình trên tải là.
( )
n
l
M
AV V
V −
=
π
3
3
(2.82)
X
1
X
2
X
3
α1 θ1 α2 θ2 α3 θ3 α4
Ud
A B C A
Uf
IS1
0
IS2
IS3
ID1
ID2
ID3
α=900

-65-
b. Tải R-L
Tải điện kháng Z (R, L) và có diode dập (FW)
Trong trường hợp này, khi điện thế ra có khuynh hướng trở nên âm thì diode
dập sẽ dẫn, nên điện thế ra trở nên dương. Tiến trình này lặp lại mỗi 1200
khi có 1
SCR dẫn.
2.4 Họa tần
Khai triễn Fourier cho điện dòng một chiều với dạng sóng phi sin có dạng như
sau:
( ) ( )
n
n
n
AV
L
t
n
V
V
t
v φ
ω +
+
= ∑
∞
=
cos
...
6
,
4
,
2
)
(
0
(2.83)
Thành phần trung bình trên tải
∫
∫
+
=
=
α
π
ω
ω
π 0
0
)
(
0 sin
2
1
)
(
1
t
td
V
dt
t
f
T
V M
T
AV
; với n=1 (2.84)
Thành phần hài
( ) ( )






−
−
−
+
+
=
1
1
cos
1
1
cos
2
n
n
n
n
V
a M
n
α
α
π
; với n=2,4,6…. (2.85)
( ) ( )






−
−
−
+
+
=
1
1
sin
1
1
sin
2
n
n
n
n
V
b M
n
α
α
π
Với tải là R-L thì ta có tổng trở được tính:
L
jn
R
Zn ω
+
=
Dòng hoạ tần trên tải:
n
n
n
Z
V
I = (2.86)
Trị số hiệu dụng của dòng điện trên tải cho bởi:
=
+ ∑

√

,,… (2.87)
Trong cách giải theo phân tích Fourier ta có:
( ) ( ) ( )
∑
∞
=
+
+
=
=
6
,
4
,
2
0
0
0 cos
n
n
n
L t
n
V
V
t
v
t
v θ
ω (2.88)
( ) ( ) α
π
α
π
cos
3
cos
3
3
0 l
l
M
n
l
M V
V
V −
− =
= (2.89)
( )2
0
2
L
n
R
V
Z
V
I n
n
n
n
ω
+
=
= (2.90)

-66-
Hình vẽ biểu diễn điện thế họa tần ngõ ra chuẩn hóa như sau:
Hình 2.37 Điện thế họa tần ngõ ra chuẩn hoá.
Thí dụ:
Cho mạch chỉnh lưu toàn kỳ 3 pha có điều khiển với điện thế hiệu dụng VRMS(l-
l) = 480V 60Hz, tải điện kháng có R = 10 Ohm, L = 50mH, góc kích 39,50
.
Tính:
a) Điện thế cơ bản ngõ ra V0
b) Dòng họa tần 6 và 12
Giải
a) Tính V0
( )( ) V
V 500
366
,
500
77
,
0
480
2
3
0 ≈
=
=
π
b) Tính In
Ta có theo hình vẽ điện thế chuẩn hóa
( ) V
V
V
V
m
143
480
2
21
,
0
21
,
0 6
6
=
=
⇒
=
( ) V
V
V
V
m
68
480
2
10
,
0
10
,
0 12
12
=
=
⇒
=
Do đó:
A
Z
V
I 26
,
1
)
05
,
0
)
377
(
6
(
10
143
2
2
6
6
6 =
+
=
=
A
Z
V
I 30
,
0
)
05
,
0
)
377
(
12
(
10
68
2
2
12
12
12 =
+
=
=
0,1
0,2
0,3
0,4
0 30 60 90 120 150 180
Vn/Vm
α
n=6
n=12
n=18

Bài giảng Điện tử công suất
- 66 -
Chương 3. BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU
Mục tiêu của chương
− Giới thiệu kỹ thuật biến đổi AC
− Phân tích và tính toán kỹ thuật điều khiển toàn chu kỳ
− Phân tích và tính toán kỹ thuật điều khiển pha bất đối xứng với nguồn một
pha
− Phân tích và tính toán kỹ thuật điều khiển pha đối xứng với nguồn một pha
− Phân tích và tính toán kỹ thuật điều khiển pha đối xứng với nguồn ba pha
− Tính toán họa tần và giải bài tập
3.1. Giới thiệu
Bộ điều khiển điện thế AC hay còn gọi là bộ điều thế AC, dùng chuyển đổi
nguồn điện AC cố định thành nguồn điện AC thay đổi. Tần số ngõ ra bằng tần số ngõ
vào.
Một phương cách đơn giản để điều khiển điện thế AC vào tải là dùng công tắc
AC. Công tắc AC có thể là 1 Triac hay 2 SCR mắc đối song như Hình 3.1 hoặc linh
kiện giao hoán 2 chiều.
Hình 3.1 Công tắc AC sử dụng 1 Triac hay 2 SCR mắc đối song.
Trong phần lớn trường hợp, kết quả điều khiển độc lập với công tắc được sử
dụng. Để đạt công suất lớn thường chọn SCR hơn là Triac.
Phần lớn những ứng dụng của bộ điều chỉnh AC là điều khiển độ sáng đèn,
nung nhiệt trong công nghiệp, hàn điện, bổ chính ổn điện thế máy phát điện AC, điều
khiển tốc độ động cơ cảm ứng.
Phân loại biến đổi AC sang AC:
Kỹ thuật biến đổi AC có 2 kỹ thuật chính là biến đổi biên độ và biến đổi tần số
− Kỹ thuật điều khiển AC: tần số ra không đổi so với tần số vào, kỹ thuật này có
4 phương pháp điều khiển
o Điều khiển pha: Điều khiển góc delay
o Điều khiển toàn chu kỳ: Điều khiển nguồn AC
o Điều rộng xung (PWM): Điều khiển băm (AC chopper)
S2
Tải
S1
U1
T
U1
Tải

Chương 3: Biến đổi điện áp xoay chiều
- 67 -
o Chuyển mạch on/off: dùng công tắc bán dẫn
− Kỹ thuật biến đổi tần số: tần số ra thay đổi so với tần số vào, kỹ thuật này còn
gọi là biến tần trực tiếp
o Điều khiển pha: dùng trong biến tần trực tiếp sử dụng SCR, điều khiển
góc delay
o Điều rông xung (PWM): Biến đổi ma trận, điều khiển băm.
Hình 3.2 Các phương pháp biến đổi điện xoay chiều.
Chương này ta xét 2 phương cách điều khiển công suất cho tải:
• Điều khiển toàn chu kỳ hay còn gọi là điều khiển giao hoán (on – off
control). Điều khiển toàn chu kỳ thích hợp với các hệ thống có thời hằng lớn như hệ
thống điều khiển nhiệt độ. Công suất tải được điều khiển bằng cách nối nguồn vào tải
trong 1 số chu kỳ và tiếp đó cắt nguồn ra khỏi tải trong 1 số chu kỳ khác, và lặp lại
chu kỳ giao hoán đó như Hình 3.2. Nhưng cách điều khiển giao hoán này không thích
hợp với tải có thời hằng bé.
Hình 3.3 Trạng thái đóng ngắt của công tắc AC.
ui
t
toff
ton
T
t
uo
Nguồn AC có biên
độ thay đổi, tần số
không đổi
Nguồn AC
Nguồn AC có
Tần số thay đổi
Kỹ thuật điều
khiển AC
Kỹ thuật biến
đổi tần số
(Cycloconverters)
Biến đổi AC sang AC

- 68 -
• Điều khiển pha (phase control) như Hình 3.3. Điều khiển pha thích hợp
với tải có thời hằng bé. Trong điều khiển pha, công tắc nối tải với nguồn tại một phần
của mỗi chu kỳ dạng sóng nguồn vào. Góc kích có thể thay đổi từ 00
đến 1800
, do đó
điện áp trên tải thay đổi từ giá trị điện áp của nguồn vào Vi về 0V.
Hình 3.4 Điều khiển pha.
• So với công tắc cơ khí, công tắc AC có các ưu và khuyết điểm sau:
− Ưu điểm:
Tác động nhanh, điều khiển chính xác tại thời điểm mong muốn. Chịu được
điện thế và dòng điện lớn vài ngàn volt và vài ngàn Ampe. Có kích thước gọn nhẹ,
điều khiển dễ dàng.
− Khuyết điểm:
Dễ hư khi bị quá tải. Có điện thế sụt thế đáng kể khi dẫn. Hoạt động không
tiếng động nên khó biết công tắc có hoạt động không.
3.2. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha điều khiển toàn chu kỳ
Mục tiêu của phần này cung cấp kiến thức:
− Nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật điều khiển toàn chu kỳ
− Vẽ dạng sóng ra của kỹ thuật điều khiển toàn chu kỳ
− Tính toán các đại lượng liên quan của kỹ thuật điều khiển toàn chu kỳ
− Xác định được các lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật điều khiển toàn chu kỳ
Bộ điều khiển toàn chu kỳ. Mạch điều khiển toàn chu kỳ như Hình 3.1 khi có
góc kích α = 0 sẽ cho điện thế AC tác động vào tải và khi không có góc kích hiện
diện sẽ cắt nguồn AC khỏi tải mà dạng sóng ra như Hình 3.5.
u
iG
Vi
Vo

- 69 -
Hình 3.5 Dạng sóng bộ điều khiển AC toàn chu kỳ.
ton: là thời gian dẫn
toff: là thời gian ngưng
T: là chu kỳ giao hoán on
off t
t
T +
=
D: chu kỳ định dạng
T
t
t
t
t
D on
on
off
on
=
+
=
− Công suất ra trên tải R:
D
P
D
R
V
T
t
R
V
P O
i
on
i
ORMS max
2
2
=
=
= (3.1)
− Điện thế hiệu dụng ngõ ra:
D
V
T
t
V
V iRMS
on
M
ORMS =
=
2
(3.2)
− Công suât chuẩn hóa:
T
t
D
P
P
P on
O
OAV
N
=
=
=
max
(3.3)
− Hệ số công suất:
D
T
t
P
P
S
P
pF on
O
OAV
=
=
=
=
max
0
(3.4)
− Ưu điểm: Tải hoạt động trong thời gian lâu hơn 1 chu kỳ. Dễ dàng điều
khiển chính xác.
− Ứng dụng: Lò nung (kim loại, hóa chất, chất lỏng khác…), tạo nhiệt, truyền
nhiệt, công nghệ lạnh.
3.3.Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha điều khiển pha
ui
t
toff
ton
T
t
uo

- 70 -
− Nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật biến đổi AC một pha điều khiển pha
− Vẽ dạng sóng ra của kỹ thuật biến đổi AC một pha điều khiển pha
− Tính toán các đại lượng trên tải của kỹ thuật biến đổi AC một pha điều
khiển pha
− Tính toán các đại lượng trên một linh kiện của kỹ thuật biến đổi AC một
pha điều khiển pha
− Xác định được các lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật điều khiển pha
3.3.1. Bộ biến đổi điện AC điều khiển không đối xứng
Mạch như Hình 3.5 và 4.6 mạch gồm một SCR và một diode mắc đối song. Do
đó mạch biến đổi điện AC cho phép biến đổi không đối xứng nên điện thế ra ở tải sẽ
có giá trị trung bình. Tùy theo vị trí của diode mà giá trị trung bình điện ra có thể âm
hoặc dương. Trong dạng này không được ứng dụng để điều khiển tải động cơ, mà nó
được dùng để kiểm tra và phân tích các tác hại của dạng sóng bất đối xứng trong việc
điều khiển tải cảm, tức có giá trị trung bình âm hay dương mà các tải đối xứng như
động cơ không thể hoạt động tốt.
Hình 3.6 Bộ biến đổi AC bất đối xứng dạng 1.
Hình 3.7 Bộ biến đổi AC bất đối xứng dạng 2.
Theo Hình 3.5 SCR dẫn từ α đến π ; Diode dẫn từ π đến 2π . Ta tính được
− Điện thế trung bình trên tải:
( ) 0
1
cos
2
1
≤
−
= α
π
M
AV V
V (3.5)
− Dòng điện trung bình:
U UTải
α
iG
D2 Tải
U1
S1
U UTải
α
iG
S2
Tải
U1
D1

- 71 -
R
V
I AV
AV = (3.6)
− Hiệu điện thế hiệu dụng trên tải:
t
d
t
v
T
V
P
T
t
t
P
RMS ∫
+
=
0
0
)
(
1 2
, tính trong một chu kỳ 2π hay tính tích phân






+
−
=
π
α
π
α
4
2
sin
2
1
2
M
RMS
V
V (3.7)
− Dòng điện hiệu dụng qua tải:
R
V
I ORMS
ORMS = (3.8)
− Công suất của tải:
RMS
RMS
RMS I
V
P = (3.9)
Khi
R
V
P M
RMS
2
0
2
=
⇒
=
α














+
−
=
π
α
π
α
4
2
sin
2
1
pF (3.10)
Theo Hình 3.6 SCR dẫn từ α
π + đến π
2 ; Diode dẫn từ 0 đến π . Ta tính
tương tự như Hình 3.5 nhưng chú ý lúc này điện thế trung bình ra có giá trị âm, giá
trị hiệu dụng ở tải vẫn như trường hợp của hình 4.6.
3.3.2. Bộ biến đổi điện AC điều khiển đối xứng
Các dạng mạch điều khiển AC đối xứng thường được sử dụng có dạng như
Hình 3.9, dạng sóng ra được điều khiển hoàn toàn ở cả hai bán kỳ và góc kích điều
khiển cho hai bán kỳ cần được chú ý để dạng sóng ra đối xứng.

- 72 -
Hình 3.8 Các bộ biến đổi AC một pha thường gặp.
a. Tải thuần trở
Hình 3.9 Bộ biến đổi AC đối xứng tải R.
Mỗi SCR dẫn trong thời khoảng ( )
α
π − của mỗi bán kỳ, do đó ta có thể xem
như các SCR dẫn từ α đến π trong chu kỳ mới là π nên tính được.
− Hiệu điện thế hiệu dụng của tải:
( )
π
α
π
α
ω
ω
π
ω
ω
π 4
2
sin
2
sin
1 2
2 t
t
V
t
d
t
V
V M
M
RMS −
=
= ∫
π
α
π
α
2
2
sin
1
2
+
−
= M
RMS
V
V (3.11)
− Dòng điện hiệu dụng qua tải:
π
α
π
α
2
2
sin
1
2
+
−
=
=
R
V
R
V
I M
RMS
RMS (3.12)
− Công suất trên tải:
S2 Tải
S1
U1
T
U1
Tải
U1
D1
S1 S2
D2
Tải
D2
S
U1
D1
D3
D4
Tải
U1
A1
A2
S1
S2
iR UL
R
u UTải
α
iG1
α
iG2

- 73 -






+
−
=
=
=
π
α
π
α
2
2
sin
1
2
2
2
2
R
V
R
I
R
V
P M
RMS
RMS
RMS (3.13)
π
α
π
α
2
2
sin
1 +
−
=
pF (3.14)
− Dòng điện trung bình qua SCR bằng:
( ) ( )
α
π
ω
ω
π
π
α
cos
1
2
sin
2
1
+
=
= ∫ R
V
t
td
R
V
I M
M
SCR
AV (3.15)
Mỗi SCR có dòng điện bằng 1/2 dòng qua nguồn AC nên dòng hiệu dụng của
mỗi SCR bằng:
2
)
(
RMS
SCR
RMS
I
I = (3.16)
Họa tần: Ta phân tích họa tần theo phân giải Fourier cho kết quả sau:
( )
1
2
cos
2
1 −
= α
π
M
I
a ; ( )
[ ]
α
α
π
π
2
sin
2
2
1 +
−
= M
I
b (3.18)
( ) ( ) ( )
[ ] ( ) ( )
[ ]
{ }
α
α
π
1
cos
1
1
cos
1
2
1
2
−
+
−
+
−
+






−
= n
n
n
n
n
I
a M
n (3.19)
( ) ( ) ( )
[ ] ( ) ( )
[ ]
{ }
α
α
π
1
sin
1
1
sin
1
1
2
−
+
−
+
−






−
= n
n
n
n
n
I
b M
n (3.20)
2
2
n
n
n b
a
C +
=
Ta có đồ thị biên độ họa tần tương đối biến thiên theo góc kích α như Hình 3.10.
Hình 3.10 Biên độ họa tần tương đối biến thiên theo góc kích α
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 30 60 90 120 150 180
U
α
U
U3
U5
U7
U1

- 74 -
b. Tải trở kháng R – L
• Sơ đồ mạch
Hình 3.11 Bộ biến đổi AC đối xứng tải R-L.
• Dạng sóng vào ra
Phân tích giống như trường hợp tải L ở phần trên. Nên cách lý luận trong
trường hợp tải R-L cũng tương tự.
Hình 3.12 Ba trạng thái hoạt động trong trường hợp tải R-L.
• Tính toán các đại lượng
Vì mỗi SCR dẫn trong thời khoảng β
ω
α ≤
≤ t , cách giải tương tự như ở
chương 2 và có các kết quả sau:
U1
A1 A2
S
1
S2
iL
UL
R
L
i
α
α2
Utải
i
α1 α2
Utải
Utải
i
α
1

- 75 -
( ) ( ) ( )
( )






Φ
−
−
Φ
−
=
−
− α
ω
ω
α
ω
t
L
R
M
e
t
Z
V
t
i sin
sin (3.24)
Và i(t) = 0 ở các trường hợp khác
Với: ( )2
2
ω
L
R
Z +
= ; 





=
Φ
R
Lω
arctan (3.25)
Biểu thức liên hệ giữa góc tắt và góc kích
( ) ( )
( )
α
β
ω
α
β
−
−
Φ
−
=
Φ
− L
R
e
sin
sin (3.26)
Hình 3.13 Mối liên hệ giữa góc kích và điện áp chuẩn hóa ngõ ra
• Nhận xét
Góc dẫn α
β
γ −
= phải hơi nhỏ hơn π để cho SCR1 ngưng dẫn trước khi kích
SCR2 tại π
α
ω +
=
t . Trong biểu thức liên hệ trên cho π
α
β
γ
−
= thì Φ

α . Do
đó ta kết luận rằng α phải lớn hơn hoặc bằng Φ
≥
α ; Φ
=
min
α .
Nếu chọn Φ
=
min
α thì dòng qua SCR1 là hoàn toàn hình sin khi số hạng
chuyển tiếp bị khử mất và góc dẫn bằng ( )
π
γ
π = .
Biểu thức liên hệ cho phép xác định góc dẫn γ khi biết α , Φ . Có hai trường
hợp giới hạn:
− 0
=
Φ : Trường hợp tải điện trở thuần
( ) t
Z
V
t
i M
ω
sin
= (3.27)
i(t) là dòng điện hình sin. Góc dẫn bằng α
π
γ −
=
−
2
π
=
Φ : Trường hợp cảm kháng L

- 76 -
( ) ( )
t
L
V
t
i M
ω
α
ω
cos
cos −
= (3.28)
góc dẫn ( )
α
π
γ −
= 2 .
Ta biểu diễn như Hình 3.16 biểu diễn sự tương quan của α , Φ để xác định
góc dẫn γ .
Hình 3.14 Mối liên hệ giữa góc dẫn và góc kích.
− Hiệu điện thế hiệu dụng qua tải:





 −
−
=
π
β
α
γ 2
sin
2
sin
2
2
M
RMS
V
V (3.29)
− Hoặc khi góc kích α trong khoảng
2
π
đến π , ta có:
2
1
2
cos
sin
6
2
1
cos
1
4
2






+






+






−
= α
α
π
α
π
α
R
V
I M
RMS (3.30)
− Đặc tính điều khiển góc kích theo trị số điện áp tải:
Hình 3.15 Điều khiển góc kích theo trị số điện áp tải.
− Sự biến thiên của công suất theo góc mở
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 30 60 90 120 150 180
U
α
U1
U3
U5
U7
U
ϕ = 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 30 60 90 120 150 180
U
α
U
U3
U5
U7
U1
ϕ = 450

- 77 -
Hình 3.16 Sự biến thiên của công suất theo góc mở.
3.4.Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha điều khiển pha
− Nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật biến đổi AC ba pha điều khiển pha
− Vẽ dạng sóng ra của kỹ thuật biến đổi AC ba pha điều khiển pha
− Tính toán các đại lượng trên tải của kỹ thuật biến đổi AC ba pha điều
khiển pha
− Tính toán các đại lượng trên một linh kiện của kỹ thuật biến đổi AC ba
pha điều khiển pha
− Xác định được các lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật điều khiển pha
Bộ điều chỉnh AC 3 pha gồm 3 bộ điều chỉnh AC 1 pha nối với nhau và sử
dụng nguyên tắc điều khiển pha. Có nhiều cách mắc tùy theo các bộ cấp điện 3 pha
mắc hình sao Y hay tam giác ∆ vào tải. Hình 3.20 thể hiện cho ta thấy được các dạng
mạch của bộ biến đổi AC thông dụng.
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 30 60 90 120 150 180
U
α
P
Q
S
ϕ = 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 30 60 90 120 150 180
U
α
S
P
Q
ϕ = 450
∼ ∼
∼
ZA ZB ZC
S1 S3 S5
S4 S6 S2
a b c
∼ ∼
∼
ZA ZB ZC
S4
S3
S1 S5
S6 S2
a b c
∼ ∼
∼
S1 S3 S5
S4 S6 S2
a b c
ZA ZB ZC

- 78 -
Hình 3.17 Sơ đố các bộ biến đổi AC ba pha.
3.4.1. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha tải mắc hình sao
Tải thuần trở R
a. Sơ đồ mạch:
Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi AC ba pha.
• Khảo sát hoạt động mạch
Để khảo sát cách hoạt động ta phải lưu ý các nhận xét sau:
− Các SCR được kích lần lượt theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6 cách nhau 600
.
− Khi có 3 SCR cùng dẫn, điện thế mỗi pha của tải là tương ứng với điện thế
đường dây – trung hòa van = vbn = (Vab/ 3 )…; xem VSCR = 0 khi dẫn.
− Khi có 2 SCR cùng dẫn, thí dụ khi A và B cùng dẫn thì ta có điện thế của
tải bằng:
2
2
ab
AB
ao
v
v
v =
= và sớm pha 300
so với van;
2
2
ba
BA
bo
v
v
v =
= và chậm pha 300
so với van; vBN = vbn = 0.
− Góc lệch pha giữa đường dây và pha






+
=






−
−
=
−
=
6
sin
3
3
2
sin
sin
π
ω
π
ω
ω t
V
t
V
t
V
V
V
V M
M
M
bn
an
ab .












−
−
=






−
−
=
−
=
3
4
sin
sin
3
4
sin
sin
π
ω
ω
π
ω
ω t
t
V
t
V
t
V
V
V
V M
M
M
cn
an
ac












+
−
=






−
=
6
2
cos
3
3
2
sin
3
2
cos
2
π
π
ω
π
π
ω t
V
t
V M
M
∼ ∼
∼
ZA ZB ZC
T1 T2 T3
a b c
∼ ∼
∼
ZA ZB ZC
T1 T2 T3
a b c
∼ ∼
∼
ZA ZB ZC
T1 T2 T3
a b c
c
a b
ZA ZB ZC
S1 S3 S5
S4 S6 S2
A B C
n

- 79 -






−
=






−






−
=
6
sin
3
2
6
cos
3
π
ω
π
π
ω t
V
t
V M
M
b. Nguyên tắc dòng điện dẫn trong sơ đồ điều áp ba pha:
o Dòng dẫn trong trường hợp có 3 SCR cùng dẫn:
Hình 3.19 Trường hợp có 3 SCR dẫ
o Dòng dẫn trong trường hợp có 2 SCR cùng dẫn:
Hình 3.20 Trường hợp có 2 SCR dẫn.
− Xem bảng tóm tắt sau:
Điện thế ngõ ra
n
S4
S3
S5
S1 S6 S2
A1 B1 C1
a b c
ZA ZB ZC
S1 S4
S3 S5
S6 T2
A1 B1 C1
a b c
ZA ZB ZC
n
C1
S
S2
S3 S5
S4 S6
A1 B1
a b c
ZA ZB ZC
C1
n
S1 S4
S3 S5
S6 S2
A1 B1
a b c
ZA ZB ZC
n
S1
S4
S3 S5
S6 S2
A1 B1 C1
a b c
ZA ZB ZC
n
S1
n
S4
S3 S5
S6 S2
A1 B1
a b c
ZA ZB ZC
C1
S1
S1 S4
S3 S5
S6 S2
A1 B1
a b c
ZA ZB ZC
n
S1 S4
S3 S5
S6 S2
A1 B1 C1
a b c
ZA ZB ZC
n
S1 S4
S3 S5
S6 S2
A1 B1
a b c
ZA ZB ZC
n
S4
S3 S5
S6 S2
A1 B1
a b c
ZA ZB ZC
C1
n
S1
S4
S3 S5
S6 S2
A1 B1 C1
a b c
ZA ZB ZC
n
C1
S1
ZA
n
S4
S3 S5
S6 S2
A1 B1
a b c
ZB ZC

- 80 -
Đường
dây dẫn điện
Đường dây
không dẫn điện
Pha
(van)
Dây
(vab)
Tất cả Không có
vAB/
3 =VAN
vAB
A, B C ½ vAB vAB
B, C A 0 ½ vCB
C, A B ½ vCA ½ vCA
Không Tất cả 0 0
c. Ba trường hợp điều khiển sóng ra
•
•
•
• Trường hợp 1:
3
0
π
α

Xét trường hợp góc kích 0
30
=
α
Hình 3.21 Dạng sóng ra trong trường hợp 1.
Tại 0
=
t
ω : S5 và S6 cùng dẫn, nên không có dòng nào qua Za ta có van = 0.
Tại
6
π
ω =
t : S1 bắt đầu dẫn, S5 và S6 tiếp tục dẫn, ta có van = vAN.
vAN
α
π/2 π
iS1
iS2
iS3
iS4
iS5
X3
X1
iS6
X5
X6
X4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
S1
S3
S4
S5
S6
0
vBN vCN
u
S2
X2

tài liệu Trần Văn Hùng.pdf

tài liệu Trần Văn Hùng.pdf

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to tài liệu Trần Văn Hùng.pdf

Similar to tài liệu Trần Văn Hùng.pdf (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (18)

tài liệu Trần Văn Hùng.pdf