Giáo trình điện tử công suất (nghề điện công nghiệp cao đẳng)

Hình 1.2: Sơ đồ phân cực cho Transistor Mối nối B-E ở chế độ phân cực thuận như một diode, có điện kháng nhỏ và điện áp rơi trên nó nhỏ thì mối nối B-C được phân cực ngược bởi điện áp U

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ XÂY DỰNG

BÀI 1: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

2.1 Diode

2.1.1 Cấu trúc và kí hiệu

Điốt gồm 2 điện cực, điện cực được nối với bán dẫn loại P được gọi là

anốt (A), điện cực được nối với miền N được gọi là katốt (K)

Hình 1.1: Cấu trúc và ký hiệu của điốt công suất

Dòng điện chảy qua điốt làm điốt nóng lên, chủ yếu tại vùng chuyển tiếp, Đối với điốt loại Si, nhiệt độ mặt ghép Tj cho phép là 200°C.Vượt quá nhiệt độ này điốt có thể bị phá hỏng Để làm mát điốt, người ta thường dùng cánh tản nhiệt được quạt mát với tốc độ gió 10m/s, hoặc cho nước hay dầu biến thế chảy qua cánh tản nhiệt với tốc độ lớn hay nhỏ tùy theo dòng điện

2.1.2 Đặc tính Vôn-Ampe của điốt

Khi điện áp U<0, điốt bị phân cực ngược Khi tăng |U|, dòng điện ngược cũng tăng từ từ đến khi |U|>0.1V, dòng điện ngược dừng lại ở giá trị vài chục

mA Dòng điện này sẽ phá hỏng điốt, vì vậy để bảo vệ điốt người ta chỉ cho chúng làm việc dưới điện áp U = (0.7÷0.8V)Uz

2.1.3.Thông số cơ bản của điốt

- Iđm - dòng điện định mức, giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua điốt, hiện nay dòng điện lớn nhất của một diod công suất tới 7000A

- AU - sụt áp thuận; Sụt áp của diod trong khoảng (0,7 - 2)V

- Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép; Tại lớp tiếp giáp khoảng 200 0C

- UNgmax - điện áp ngược lớn nhất mà điốt có thể chịu đựng được, trong khoảng (50-4000)V

- Irmax - dòng điện nghịch tối đa tần số đóng cắt của điôt tr - thời gian phục hồi của điôt

2.1.4 Các điốt đặc biệt

- Schottky điốt: độ sụt áp theo chiều thuận thấp (khoảng 0,3V) Do đó, nó

được sử dụng cho các mạch điện áp thấp Điện áp ngược chịu được khoảng 50 - 100V

- Điốt phục hồi nhanh: được áp dụng trong các mạch hoạt động tần số

cao Khả năng chịu áp đến vài ngàn volt và dòng vài trăm Amper, thời gian phục hồi t khoảng vài μs

- Điốt tần số công nghiệp: các điốt tần số công nghiệp được chế tạo để đạt

độ sụt áp thấp khi dẫn điện Hệ quả, thời gian t tăng lên Khả năng chịu áp của chúng khoảng vài kilovolt và dòng điện vài kiloampe

2.2 Transistor BJT

2.2.1 Cấu tạo, ký hiệu::

Transistor là linh kiện bán dẫn gồm 3 lóp: PNP hay NPN

Cấu tạo của transistor NPN Cấu tạo của transistor PNP

Ký hiệu của transistor NPN Ký hiệu của transistor NPN

Về mặt vật lý, transistor gồm 3 phần: phần phát, phần nền và phần thu Vùng nền (B) rất mỏng

2.2.2 Nguyên lý hoạt động:

Điện thế UEE phân cực thuận mối nối B-E (PN) là nguyên nhân làm cho vùng phát (E) phóng điện tử vào vùng P (cực B) Hầu hết các điện tử (electron) sau khi qua vùng B rồi qua tiếp mối nối thứ hai phía bên phải hướng tới vùng N (cực thu), khoảng 1% electron được giữ lại ở vùng B Các lỗ trống vùng nền di chuyển vào vùng phát

Hình 1.2: Sơ đồ phân cực cho Transistor

Mối nối B-E ở chế độ phân cực thuận như một diode, có điện kháng nhỏ

và điện áp rơi trên nó nhỏ thì mối nối B-C được phân cực ngược bởi điện áp

UCC Bản chất mối nối B-C này giống như một diode phân cực ngược và điện kháng mối nối B-C rất lớn Dòng điện đo được trong vùng phát gọi là dòng phát

IE Dòng điện đo được trong mạch cực C (số lượng điện tích qua đường biên CC trong một đơn vị thời gian là dòng cực thu IC) Dòng IC gồm hai thành phần:

- Thành phần thứ nhất (thành phần chính) là tỉ lệ của hạt electron ở cực phát tới cực thu Tỉ lệ này phụ thuộc duy nhất vào cấu trúc của transistor và là hằng số được tính trước đối với từng transistor riêng biệt Hằng số đã được định nghĩa là a Vậy thành phần chính của dòng IC là aIE Thông thường a = 0,9 → 0,999

- Thành phần thứ hai là dòng qua mối nối B - C ở chế độ phân cực ngược

lại khi IE = 0 Dòng này gọi là dòng ICBO- nó rất nhỏ

- Vậy dòng qua cực thu: IC = aIE + ICBO

2.2.3 Đặc tuyến V - A của transistor:

Đặc truyến V - A của transistor mắc Emitter chung như hình sau Đặc tuyến V-A của transistor được chia ra làm 3 vùng: Vùng cấm, vùng khuếch đại

và vùng bão hoà

Hình 1.3: Đặc tuyến volampe của Transistor

Trong các ứng dụng của điện tử công suất lớn, người ta chỉ phân cực cho transistor ở vùng bão hoà (IB lớn) và vùng cấm (IB = 0) mà không phân cực cho transistor ở vùng khuếch đại Các thông số của transistor công suất: IC: Dòng colector mà transistor chịu được, UCEsat là điện áp UCE khi transistor dẫn bão hòa, UCEO: Điện áp UCE khi mạch bazơ để hở, IB =0,UCEX là điện áp UCE khi bazơ bị khóa bởi điện áp âm, IB < 0, ton: Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống UCESat ~ 0, tf: Thời gian cần thiết để ic từ giá trị IC

giảm xuống 0, ts: Thời gian cần thiết để UCE từ giá trị UcESat tăng đến giá trị điện áp nguồn U, P: Công suất tiêu tán bên trong transistor

Công suất tiêu tán bên trong transistor được tính theo công thức:

trong một lần chuyển mạch Công suất tổn hao chính xác do chuyển mạch là hàm số của các thông số của mạch phụ tải và dạng biến thiên của dòng điện gốc 2.4 Transistor MOSFET

MOSFET là transistor có khả năng đóng ngắt nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp MOSFET được sử dụng trong các ứng dụng công suất nhỏ (vài KW) MOSFET có thể có cấu trúc NPN hoặc PNP Hình vẽ dưới đây mô tả cấu trúc MOSFET loại NPN và ký hiệu của nó

MOSFET được điều khiển đóng ngắt bằng xung điện áp đặt vào cực cổng (G) Khi điện áp dương đặt lên giữa hai cổng G và S thì dòng điện được dẫn từ cực

D tới cực S MOSFET có điện trở khi dẫn điện lớn nên công suất tổn hao khi dẫn điện lớn Đặc tính V-A của MOSFET loại N như trên hình vẽ Đặc tính có dạng giống như đặc tính V-A của BJT

MOSFET ở trạng thái ngắt điện khi điện áp cổng thấp hơn giá trị UGS Điện áp kích cho MOSFET phải ở dạng liên tục Giá trị điện áp kích tối đa là ±20V Mạch kích MOSFET Sơ đồ mạch kích như trên hình đặc tính trên Khi có điện

áp UG, tụ điện C1 tích điện và dòng điện đi vào cực G:

Sau khi xác lập, điện áp trên cực cổng là:

Sơ đồ mạch kích cho MOSFET

Đối với sơ đồ đặc tính, khi điện áp kích U1 ở mức cao, Q1 dẫn và Q2 khóa làm cho MOSFET dẫn Khi tín hiệu U1 ở mức thấp, Q1 ngắt, Q2 dẫn làm cho

MOSFET ngắt điện Mạch kích cho MOSFET có thể được cách ly với mạch tạo tín hiệu điều khiển thông qua biến áp xung hoặc optron Sơ đồ mạch kích cho MOSFET

Mạch cách ly tín hiệu điều khiển với mạch kích

Hình dạng một số MOSFET

2.4 Transistor IGBT

Nguyên lý cấu tạo, ký hiệu và mạch điện tương đương của IGBT như trên hình H1.23

Hình H1.23: Cấu tạo(a), ký hiệu(b) và mạch tương đương(c) của IGBT

Hình H1.21: Mạch cách ly tín hiệu điều khiển với mạch kích IGBT là transistor công suất hiện đại, có kích thước gọn nhẹ, có khả năng chịu được điện áp và dòng điện lớn, có độ sụt áp khi dẫn điện vừa phải Việc kích dẫn IGBT được thực hiện bằng xung điện áp đưa vào cổng G Đặc tính V-A của IGBT có dạng tương tư như đặc tính V-A của MOSFET IGBT có khả năng đóng ngắt nhanh nên được sử dụng trong các bộ biến đổi điều chế độ rông xung tần số cao Phạm

vi công suất của IGBT có thể đến 10MW IGBT có khả năng làm việc với dòng điện lớn và chịu được điện áp ngược cao Thời gian đáp ứng đóng ngắt của IGBT rất nhanh (khoảng vài s) IGBT có khả năng hoạt động tốt không cần đến mạch bảo vệ

Trong trường hợp đặc biệt, có thể sử dụng mạch bảo vệ của MOSFET áp dụng cho IGBT Module IGBT thông minh (Intelligent Power Module): được chế tạo bởi công nghệ tích hợp cao Trên module chức phần tử IGBT, mạch kích lái, mạch bảo vệ, cảm biến dòng điện Các module này đạt độ tin cậy rất cao Mạch

kích IGBT được thiết kế tương tự như mạch kích cho MOSFET

11

Do giá thành IGBT cao, và đặc biệt cho công suất lớn, mạch kích lái IGBT được chế tạo dưới dạng IC công nghiệp Các IC này có khả năng tự bảo vệ chống quá tải, nắn mạch, được chế tạo tích hợp dạng module riêng (1, 2, 4, 6 driver) hoặc tích hợp trên cả module bán dẫn (bao gồm mạch lái, IGBT và mạch bảo vệ) Hình dạng một số IGBT thực tế (hình H1.24a) và các board mạch điều khiển và bảo vệ IGBT (hình H1.24b)

Chân cho dòng điện vào gọi là cực Anod viết tắt A ,chân cho dòng điện ra gọi là cực Catod viết tắt K ,chân điều khiến cho dòng điện đi từ A qua K gọi là cực Gate (cực cửa hay cực cổng ) viết tắt G

2.5.2 Nguyên lý họat động và đặc tính của SCR

Để phân tích nguyên lý họat động của SCR, ta có the xem SCR giống như

2 transistor gồm 1 transistor lọai NPN và 1 transistor loại PNP ghép lại theo kieu cực C của NPN nối với cực B của PNP và ngược lại cực C của PNP nối với cực

B của NPN

Xét mạch thực nghiệm sau:

Hình 1.4: Minh họa hoạt động của SCR

Mạch thực nghiệm SCR được vẽ theo kiếu cấu trúc của SCR gồm 2 transistor, transistor lọai NPN gọi là T1 và transistor lọai PNP gọi là T2

+ Trường hợp khóa K để hở hay UG = 0V

Khi điện áp ở cực G bằng 0V tức T1 chưa có dòng phân cực IB1 nên T1

chưa dẫn => IB1 = 0, IC1 = 0, nên IB2 = 0 và T2 cũng ngưng dẫn Như vậy trường hợp này SCR không dẫn điện được, dòng điện qua SCR là IA = 0 và UAK = Ucc Tuy nhiên khi tăng điện thế nguồn Ucc lên đến giá trị đủ lớn tức điện áp trên SCR cũng tăng theo và khi đạt đến giá trị điện áp ngập UBO (Breakover) thì điện

áp UAK giảm xuống giống như diod và dòng điện IA tăng nhanh Lúc này SCR chuyển sang trạng thái dẫn điện Dòng điện ứng với lúc điện áp UAK giảm nhanh gọi là dòng điện duy trì IH (Holding) Sau đó, dặc tính của SCR giống như 1 diode nắn điện

+ Trường hợp khóa K đóng hay UG > 0V

Khi đóng khóa K cấp nguồn UDC cho cực cổng SCR, điện trở RG dùng để giới hạn dòng kích cho cực G của SCR Lúc này có dòng kích IG > 0 nên SCR dẫn tức transistor T1 được phân cực ở cực B, IB1 > 0 => có dòng IC1 > 0, dòng

IC1 cũng chính là dòng IB2 nên lúc này T2 cũng dẫn điện và cho dòng IC2 ra, dòng này đi vào cực nền B1 và lại trở thành dòng IB1 Do đó mà SCR sẽ tự duy trì trạng thái dẫn điện trong nguồn 1 chiều mà không cần có dòng kích IG liên

tục

Hiện tượng này sẽ lặp lại liên tục, dấn đến 2 transistor đạt đến trạng thái dẫn bảo hòa, khi đó điện áp UAK giảm rất nhỏ khỏang 0,7V ÷ 1,5V (tùy lọai) + Trường hợp phân cực ngược SCR

Phân cực ngược SCR là nối cực Anode vào nguồn âm và cực Catod vào nguồn dương của điện áp cung cấp UCC Trường hợp này giống như Diode bị phân cực ngược, SCR sẽ không dẫn điện mà chỉ có dòng điện rỉ rất nhỏ đi qua

và điện áp rơi trên SCR chính bằng điện áp nguồn (UAK = -UCC)

Khi tăng điện áp nguồn UCC lên đủ lớn thì SCR sẽ bị đánh thủng và dòng điện qua theo chiều từ Anod sang Catod (K→A) Điện áp này gọi là điện áp ngược UN Thông thường trị số UN và UBO bằng nhau và ngược dấu

2.6.1 Cấu tạo, ký hiệu

Triac có cấu tạo gồm các lớp bán dẫn P - N ghép nối tiếp nhau và được nối ra 3 chân, hai chân có dòng điện lớn qua gọi là T1 và T2, chân điều khiển cho Triac dẫn gọi là cực cổng G

Triac có thể xem như 2 SCR ghép song song và ngược chiều nhau sao cho

có chung cực cổng G

Triac là viết tắt của Triode Ac semiconductor switch (hay còn gọi là khóa

điện xoay chiều có 3 cực)

2.6.2 Nguyên lý họat động và đặc tính của Triac

Hình 1.6: Minh họa hoạt động của Triac

Cấu trúc của Triac được xem như 2 SCR ghép song song và ngược chiều nên khi khảo sát đặc tính của Triac người ta khảo sát như mạch thực nghiệm sau:

Hình a khi cực T2 có điện áp dương và cực G được kích xung dương thì Triac sẽ dẫn điện theo chiều từ T2 sang T1

Hình b khi cực T2 có điện áp âm và cực G được kích xung âm thì Triac sẽ dẫn điện theo chiều từ T1 sang T2

Hình c khi Triac được dùng trong nguồn điện xoay chiều, ở bán kỳ dương cực G cần được kích xung dương ,còn ở bán kỳ âm cực G cần được kích xung

âm Triac cho dòng điện qua được cả 2 chiều và khi đã dẫn điện thì điện áp rơi trên 2 cực T1 - T2 rất nhỏ nên được coi như công tắc bán dẫn dùng trong nguồn điện xoay chiều

Đặc tính của Triac gồm 2 phần đối xứng nhau qua điểm 0, hai phần này giống như đặc tuyến của hai SCR mắc ngược chiều nhau

2.6.3 Các cách kích mở triac

Hình 1.7: Minh họa các cách kích mở của Triac

Thật ra do sự tương tác giữa các vùng bán dẫn mà Triac được kích dẫn

theo 4 cách khác nhau.Với hai cách kích đầu (a) và (b) gọi là kích thuận ta chỉ cần dòng kích nhỏ đủ để Triac dẫn, còn với hai cách kích sau (c) và (d) gọi là kích ngược vì ta phải cần dòng kích lớn mới đủ để làm Triac dẫn

Khi triac đang dẫn, muốn khóa triac ta giảm dòng dẫn xuống dưới dòng duy trì (dòng duy trì là dòng nhỏ nhất mà triac dẫn)

2.7 Gate Turn off Thyristor ( GTO )

2.7.1 Cấu tạo

Sơ đồ nối, đặc điểm của Thiristor khóa được bằng cực điều khiển GTO

Một thiristor thông thường cực điều khiển chỉ được dùng để xác lập thời điểm

mở cho dòng chảy qua và trạng thái mở được duy trì khi nào dòng điện qua nó còn lớn hơn hay bằng dòng duy trì IH

Hình 1.13 Đối với GTO việc kích mở và cắt dòng qua nó được thực hiện từ cực điều khiển

Ưu điểm của GTO:

- Cấu hình mạch công suất đơn giản hơn

- Thể tích và trọng lượng nhỏ hơn

- không gây ra nhiễu điện bà nhiễu âm

- Không có tổn thất chuyển mạch

- Hiệu suất cao

Mở GTO: được thực hiện giống tiristor thông thường

Khóa GTO: để khóa GTO người ta đặt một điện áp âm ( so với ka tốt) vào cực điều khiển

Mạch điện đơn giản điều khiển kích mở và khóa GTO được trình bày trên hình 1.14

Khi UC là một xung áp dương, tranzitor mở, dòng điện từ nguồn E chảy vào cực

G từ E(+)  T1 R1 C1, GTO mở cho dòng chảy qua Tụ điện C1 được nạp đến điện áp 12V

- Khi UC là một xung âm, T1 khóa, T2 mở, tụ C đặt điện áp âm tên cực G của GTO làm nó bị khóa

Hình 1.14

2.7.2 Cấu trúc chung của sơ đồ chỉnh lưu

a.Các khái niệm cơ bản

* Chỉnh lưu là biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện 1 chiều, cung cấp cho nhiều loại phụ tải khác nhau Một số phụ tải một chiều như sau:

- Các hệ thống nạp điện cho ắc quy

- Các bộ nguồn một chiều cho các thiết bị điều khiển, viễn thông

- Trong các hệ thống truyền tải điện một chiều công suất lớn

* Các bộ chỉnh lưu thường dùng là các phần tử bán dẫn công suất (điôt, tranzitor, Thyristor ) Tùy theo thiết bị chỉnh lưu mà người ta phân thành:

- Chỉnh lưu không điều khiển (dùng điôt)

- Chỉnh lưu có điều khiển (dùng Thyristor)

* Để chỉnh lưu tín hiệu công suất nhỏ thường dùng bộ chỉnh lưu 1 pha và chỉnh lưu tín hiệu công suất lớn thường dùng bộ chỉnh lưu 3 pha Điện áp và dòng điện sau chỉnh lưu có chiều không thay đổi nhưng vẫn dao động về trị số,

để hạn chế dao động thường người ta cho qua bộ lọc

*Người ta có thể phân loại chỉnh lưu theo sơ đồ sau:

Cấu trúc chung của một sơ đồ chỉnh lưu(Nếu là CL KĐK thì Khối 2 là các Van CL không có ĐK, khối 4, 5 không có )

- Khối 1: MBA dùng để phối hợp mức điện áp giữa điện áp lưới và điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu MBA là bộ phận bắt buộc đối với các sơ đồ hình tia nhưng không bắt buộc đối với sơ đồ hình cầu

- Khối 2: Sơ đồ van chỉnh lưu Gồm các van bán dẫn được nối theo sơ đồ chỉnh lưu cụ thể, có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều

- Khối 3: Khâu lọc gồm các phần tử phản kháng như tụ điện, cuộn cảm có chức năng san bằng điện áp chỉnh lưu, giảm thành phần đập mạch của điện áp ra một chiều đến mức độ cho phép

- Khối 4: Mạch đo lường gồm các khâu tạo tín hiệu về dòng điện, điện áp phục vụ cho các chức năng về điều chỉnh, các chức năng theo dõi, hiển thị và bảo vệ của cả hệ thống

- Khối 5: Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong mạch chỉnh lưu có điều khiển Có nhiệm vụ tạo ra các xung điều khiển với góc pha điều khiển điều chỉnh được, đồng pha với điện áp xoay chiều, đưa đến cực điều khiển của các

van bán dẫn có điều khiển (Thyristor)

) ( 2

1 )

(

1

d u dt

t u T

T d d

1

d i

Pd= Ud.Id là công suất một chiều mà tải nhận được từ mạch chỉnh lưu

Ivtb: dòng trung bình qua van

Ung max: điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP BÀI 1

Câu 1: Trình bày cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý hoạt động của Diode công suất? Câu 2: Trình bày cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý hoạt động của Thyristor?

Câu 3: Trình bày cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý hoạt động của Diac, Triac?

Câu 4: Trình bày cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý hoạt động của Transistor công

suất?

Câu 5: Nêu và phân tích cấu trúc chung của sơ đồ chỉnh lưu?

Câu 6: Vẽ sơ đồ và phân tích nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu một pha

nửa chu kỳ không có điều khiển?

Câu 7: Vẽ sơ đồ và phân tích nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu một pha

nửa chu kỳ có điều khiển?

Câu 8: Vẽ sơ đồ và phân tích nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu một pha

hai nửa chu kỳ không có điều khiển?

Câu 9: Vẽ sơ đồ và phân tích nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu một pha

hai nửa chu kỳ có điều khiển?

Câu 10: Vẽ sơ đồ và phân tích nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu cầu? Câu 11: Vẽ sơ đồ và phân tích nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu cầu có

điều khiển?

Câu 12: Vẽ sơ đồ và phân tích nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu bap ha

hình tia không có điều khiển?

Câu 13: Vẽ sơ đồ và phân tích nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu ba pha

hình tia có điều khiển?

BÀI 2: BỘ CHỈNH LƯU 2.1 Chỉnh lưu có điều khiển

2.1.1 Chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ

Trong giai đoạn (0   )tiristo khoá: ud = 0

Trong giai đoạn (    )tiristo dẫn: u d u2( ) 

Trong giai đoạn (   2 )  tiristo khoá: u  d 0

Điện áp ud chỉ là một phần của u2 với độ lớn tuỳ thuộc góc  Ta có:

2.1.2 Chỉnh lưu hình tia 1 pha 2 nửa chu kỳ

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

Ở đây ta xét một trường cụ thể với giá trị :

- 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

= 0 Vậy tại 1 thì uT1= u21>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:

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 = 0; iT1=0; iT2 = 0;

uT1= 0 ; uT2 = 0 ;

- Tại t = 2 =  + , van T2 có tín hiệu điều khiển và uT2 = u22 > 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/Rd= u22/Rd;

uT1 = 2u21; uT2= 0;

Tại t = 2 thì u22 = 0 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 =  t = 2):

ud = E d; iT1=0; iT2 = 0;

uT1= u21; uT2 = u22 ;

- 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 =2  t = 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 hình vẽ:

Điện áp chỉnh lưu trung bình của trường hợp này là:

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

 Rd 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

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 vẽ 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 Tại t=1= thì 2 van T1 và T2 đồng thời

có tín hiệu điều khiển, lúc đó điện áp trên 2 van này đều thuận (uT1=uT2=u2) do vậycả 2 van cùng mở Hai van T1,T2 mở nên sụt điện áp trên chúng giảm về bằng không và ta có: ud=u2; uT3=uT4=-u2 và tại t=1= thì u2>0, tức là T3,T4 bị đặt điện áp ngược và khoá lại Từ thời điểm này (t=1) trong sơ đồ chỉ có 2 van

T1, T2 dẫn dòng Khi 2 van T1, T2 làm việc thì:

ud = u2; uT1 = uT2 = 0; uT3 = uT4 = -u2;

iT1 = iT2 = id = Id; iT3 = iT4 =0;

Đến t= thì u2=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ âm nên nó tác động ngược với chiều dòng qua T1 và T2, đồng thời trên T3 và T4 lúc này có điện áp thuận nhưng T3 và T4 chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, vì vậy mà T1 và

T2 tiếp tục dẫn dòng bởi s.đ.đ tự cảm sinh ra trong Ld do dòng tải có xu hướng giảm Do T1 và T2 vẫn mở nên các biểu thức áp và dòng trên các phần tử của sơ

đồ vẫn giữ nguyên như trên

Tại t=2=+ thì T3 và T4 đồng thời có tín hiệu điều khiển,trên 2 van đang có điện áp thuận nên T3 và T4 cùng mở Hai van T3, T4 mở nên sụt điện áp trên chúng giảm về bằng không và ta có: ud= -u2; uT1=uT2=u2 và tại t=2=+ thì u2 < 0, tức là T1, T2 bị đặt điện áp ngược và khoá lại Từ thời điểm này (t=2) trong sơ đồ chỉ có 2 van T3, T4 dẫn dòng Khi 2 van T3, T4 cùng làm việc thì:

Đến t = 3 = 2 +  thì T1 và T2 lại đồng thời có tín hiệu điều khiển và

T1 và T2 lại cùng làm, T3 và T4 bị đặt điện áp ngược và khoá lại Từ thời điểm này sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc như từ t = 1 = 

Giai đoạn t = 0  1 có thể suy ra từ giai đoạn t = 2  3 do tính chất lặp đi lặp lại khi sơ đồ làm việc, ta thấy rằng nó hoàn toàn phù hợp với giả thiết ban đầu là T3 và T4 dẫn dòng

Tóm tắt sự làm việc của sơ đồ trong hơn 1 chu kỳ như sau:

2.1.4 Chỉnh lưu hình tia 3 pha

Sơ đồ mạch:

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

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 vậy trong khoảng tiếp sau 1 trong sơ đồ chỉ có van T1 dẫn dòng, khi T1 dẫn dòng:

ud=ua; iT1=id=Id; iT2=0; iT3=0; uT1=0; uT2=uba;

uT3=uca

Đến t=5/6 thì ua = ub, đây là thời điểm mở tự nhiên đối với T2 nhưng

T2 chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, do ua vẫn dương kết hợp với tác dụng cùng chiều của s.đ.đ tự cảm trong Ld mà T1 vẫn tiếp tục dẫn dòng

27

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:

t=2t=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

2.1.5 Chỉnh lưu hình cầu 3 pha

Sơ đồ nguyên lý

Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha 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 khóa 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 khóa kaôt chung thì ký hiệu như sơ đồ tổng quát còn nhóm khóa anode chung thì có sự đổi vị trí

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, 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:

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 vẽ Điện áp trên van có dạng giống như ở sơ đồ

hình tia 3 pha

Giản đồ dòng điện điện áp

Xác định công suất tính toán máy biến áp:

2.2 Chỉnh lưu không điều khiển

2.2.1 Chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ

Trong sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ điện áp thứ cấp máy biến áp là: u2 2U2sin t  2U2sin 

Sơ đồ mạch

Hình 1.8 Chỉnh lưu diode hình tia Hình 1.9 Đồ thị điện áp

Giả sử điện áp vào sơ cấp MBA có dạng sin: u1 = U1m sinωt = U1m

sinθ

Thì điện áp thứ cấp MBA có dạng: u2 = U2m sinωt = U2m sinθ Trong

đó: U1m, U2m là giá trị biên độ cực đại của điện áp xoay chiều sơ cấp và thứ cấp MBA, (V)

U1m= 2.U1 : U1 là giá trị hiệu dụng của sơ cấp MBA

U2m= 2.U2 : U2 là giá trị hiệu dụng của thứ cấp MBA

θ = ω.t : Góc pha [rad];

ω = 2Π.f : tần số góc [rad/s];

f : tần số điện áp lưới

Nguyên lý hoạt động của mạch điện

Giả sử trong nửa chu kỳ đầu của điện áp lưới, θ = 0 + π, cực tính MBA có cực tính như hình vẽ Điôt D được phân cực thuận nên dẫn, nối tải Rt vào nguồn

Điệnáp trên tải được lặp lại như u2 Dòng điện trên tải sẽ lặp lại như dạng điện

áp, với giá trị:id = iRt =

t R

u2 dạng điện áp và dòng tải được biểu diễn như hình

ngược nên không cho dòng điện chạy theo hướng ngược lại do điôt khóa, ngắt

tải ra khỏi nguồn Điện áp và dòng trên tải bằng không

Từ hình đồ thị hình vẽ trên ta có thể tính được giá trị điện áp trung bình

1

0 2

t

m d R

2.2.2 Chỉnh lưu hình tia 1 pha 2 nửa chu kỳ

Sơ đồ mạch

Hình 1.10 Chỉnh lưu diode 2 nửa chu kỳ Hình 1.11 Giản đồ tín hiệu

Giả sử điện áp vào sơ cấp MBA có dạng sin: u1 = U1m sint = U1msin 