SỞ LAO ĐỘNG TB XH TỈNH HÀ NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN Điện tử công suất NGHỀ Điện công nghiệp TRÌNH ĐỘ Cao đẳngTrung cấp Ban hành kèm theo Quyết định số 234QĐ CĐN ngày 05 thá.giáo trình học tập, tài liệu cao đẳng đại học, luận văn tiến sỹ, thạc sỹ
Khái niệm chung về điện tử công suất
Khái niệm chung
Điện tử công suất là lĩnh vực chuyên về các thiết bị dùng để biến đổi và điều khiển dòng năng lượng điện, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải và sử dụng điện năng Các thiết bị này sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất như thyristors, transistor, diode công suất để thực hiện các chức năng điều chỉnh, điều khiển dòng điện và điện áp phù hợp với nhu cầu của hệ thống Nhờ vào công nghệ điện tử công suất, các hệ thống điện hiện đại như biến tần, bộ chuyển đổi nguồn và hệ thống năng lượng tái tạo trở nên hiệu quả và tiết kiệm năng lượng hơn bao giờ hết.
Điện tử công suất là lĩnh vực khoa học chuyên nghiên cứu về quá trình phát triển và ứng dụng các thiết bị dùng để biến đổi và điều khiển năng lượng điện Ngành này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu quả năng lượng và nâng cao hiệu suất hệ thống điện Với sự tiến bộ của công nghệ, điện tử công suất đã trở thành yếu tố không thể thiếu trong các ứng dụng công nghiệp, dân dụng và tự động hóa hiện đại.
Ứng dụng của điện tử công suất
Điện tử công suất đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại như máy tính, ô tô, điện tử viễn thông, máy điện, hàng không, vũ trụ, chuyển đổi nguồn năng lượng và hệ thống chiếu sáng Các ứng dụng này nhờ vào khả năng điều khiển và chuyển đổi năng lượng tối ưu, góp phần nâng cao hiệu suất và hiệu quả hoạt động của thiết bị và hệ thống Chính vì vậy, điện tử công suất ngày càng trở thành yếu tố không thể thiếu trong các ngành công nghiệp tiên tiến.
Những ứng dụng chính của điện tử công suất được kể đến là:
- Hệ truyền động của động cơ một chiều, động cơ xoay chiều
- Hệ thống nguồn liên tục UPS
- Hệ truyền động máy điện tích hợp nam châm vĩnh cửu
- Điều khiển một số thiết bị điện đặc biệt: động cơ bước, miện điện từ trở vi bước
Các khái niệm cơ bản
Trị trung bình của một đại lượng
2.1.1 Giá trị trung bình của dòng điện, điện áp
Gọi i(t) là hàm biến thiên tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ Tp Trị trung bình của đại lượng i, ký hiệu là I AV được xác định như sau:
Với t0 là thời điểm đầu của chu kỳ được lấy tích phân
Trong nhiều trường hợp, thực hiện tích phân theo hàm biến đổi thời gian phức tạp hơn thực hiện tích phân theo biến góc X với X=.t
Với là tần số góc nào đó xác định
Khi đó, trị trung bình đại lượng theo góc X tính theo hệ thức:
Trong ví dụ này, ta tính giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu của bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển Điện áp chỉnh lưu có dạng u = U_m sin ωt, với U_m bằng 220√2 V và ω là 314 rad/s Phần này giúp hiểu rõ cách xác định điện áp trung bình của bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển trong các hệ thống điện.
Chu kỳ của điện áp trên là Tp= 0.01 (s) Đặt X14t; Xp14.0,01 = (rad)
Công suất trung bình
Công suất tức thời của một tải tiêu thụ được xác định bằng tích điện áp và dòng điện tức thời dẫn qua tải đó, tức là: p(t) = u(t).i(t)
Công suất trung bình được xác định bằng cách áp dụng tính trung bình vào đại lượng công suất tức thời p(t), tức là:
Trường hợp dòng qua tải không đổi theo thời gian I=const = Id, công suất trung bình qua tải bằng tích của điện áp và dòng điện trung bình:
Trong trường hợp điện áp đặt lên tải không đổi theo thời gian, tức u = const = Ud, công suất trung bình qua tải được tính bằng tích của điện áp và dòng điện trung bình Điều này cho thấy rằng khi điện áp ổn định, công suất tiêu thụ của tải phụ thuộc hoàn toàn vào dòng điện trung bình chạy qua nó Việc duy trì điện áp cố định giúp đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống điện và tối ưu hóa công suất truyền tải Đây là nguyên lý cơ bản trong thiết kế và vận hành các hệ thống điện, đặc biệt là trong các mạch điện DC và một chiều.
Trị hiệu dụng của một đại lượng
Gỉa thiết rằng đại lượng i biến thiên theo thời gian theo một hàm tuần hoàn với chu kỳ Tp hoặc theo chu kỳ theo góc X p = ωTp Trị hiệu dụng của đại lượng i được tính dựa trên công thức phù hợp, giúp xác định chính xác cường độ trung bình của dòng điện trong các hệ thống tuần hoàn Các đặc tính của chu kỳ và góc quay đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và tính toán các đại lượng điện dao động theo thời gian Việc hiểu rõ cách tính trị hiệu dụng giúp cải thiện hiệu quả trong thiết kế và vận hành các hệ thống điện xoay chiều.
Chỉ số RMS (Root Mean Square) có nghĩa là trị hiệu dụng
Hệ số công suất
Hệ số công suất cos φ – PF (Power Factor) là tỷ số giữa công suất tiêu thụ P và công suất biểu kiến S cấp cho tải, phản ánh hiệu quả truyền năng lượng Chỉ số này giúp đánh giá khả năng sử dụng năng lượng của hệ thống điện một cách tối ưu Công thức tính hệ số công suất thể hiện rõ mối quan hệ giữa công suất thực và công suất tổng cộng của tải Hệ số công suất cao nghĩa là hệ thống hoạt động hiệu quả, giảm tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu suất truyền tải Việc duy trì hệ số công suất phù hợp là yếu tố quan trọng trong quản lý hệ thống điện công nghiệp và dân dụng.
Trong trường hợp nguồn áp dạng sin và tải tuyến tính chứa các phần tử R, L, C không đổi, dòng điện qua tải sẽ có dạng sin cùng tần số của nguồn áp với góc lệch pha là Hệ số công suất được tính dựa trên công thức liên quan đến góc lệch pha này, phản ánh mối quan hệ giữa công suất thực và công suất phản ánh của hệ thống điện Việc xác định chính xác hệ số công suất giúp tối ưu hóa hiệu quả truyền tải và cải thiện hoạt động của hệ thống điện.
Trong đó: U, I - là các trị hiệu dụng của điện áp pha và dòng điện qua tải; m - là tổng số pha
1 Tính giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu của bộ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển Điện áp chỉnh lưu có dạng u= Umsint với Um 200 2 (V); = 314 (rad/s)
2 Nêu cách xác định trị hiệu dụng của một đại lượng và hệ số công suất
CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT CƠ BẢN
Đặc điểm, phân loại các phần tử bán dẫn công suất
Các linh kiện bán dẫn công suất, còn gọi là van bán dẫn, đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực điện tử công suất với hai chức năng chính là đóng và ngắt dòng điện Chúng kiểm soát dòng điện hiệu quả, đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định của hệ thống điện công suất Sử dụng linh kiện bán dẫn công suất giúp nâng cao hiệu suất vận hành và giảm thiểu tổn thất năng lượng trong các thiết bị điện tử.
Linh kiện trong trạng thái đóng (dẫn điện) hoạt động như một điện trở rất nhỏ, gần như bằng 0, khiến dòng điện qua nó phụ thuộc vào trạng thái của mạch điện và độ sụt áp trên linh kiện thường rất nhỏ, tối đa khoảng vài volt Trong khi đó, khi linh kiện ở trạng thái ngắt (không dẫn điện), nó đóng vai trò như một điện trở cực lớn, khiến dòng điện qua linh kiện hầu như bằng không và điện áp đặt lên linh kiện phụ thuộc vào hoạt động của mạch điện bên ngoài.
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Tín hiệu điều khiển là: dòng điện, điện áo, ánh sáng với công suất thường nhỏ hơn rất nhiều so với công suất của nguồn và tải
Theo chức năng đóng, ngắt dòng điện và theo khả năng điều khiển các chức năng này, chia thành 3 nhóm chính:
Nhóm 1: Van không điều khiển gồm các linh kiện không có cực điều khiển, trong đó quá trình chuyển trạng thái hoạt động của van diễn ra do tác dụng của nguồn công suất tại ngõ ra Ví dụ điển hình là các linh kiện như điô, diac.
Nhóm 2 gồm các van điều khiển không hoàn toàn, là loại linh kiện điều khiển có cực điều khiển, trong đó tín hiệu điều khiển chỉ tác động đến chức năng đóng dòng điện mà không tự động ngắt dòng điện Các linh kiện này như SCR và Triac cho phép kiểm soát dòng điện qua mạch điện nhưng không có khả năng tự động ngắt khi cần thiết, phù hợp cho các ứng dụng điều khiển công suất.
Nhóm 3 bao gồm các loại van điều khiển hoàn toàn như BJT, MOSFET, IGBT, GTO có khả năng thay đổi trạng thái từ dẫn điện sang ngắt điện và ngược lại nhờ tín hiệu điều khiển Các linh kiện này có thể kích hoạt hoặc ngắt dòng điện theo yêu cầu của tín hiệu đầu vào, giúp kiểm soát dòng điện chính xác trong các mạch điện Van điều khiển hoàn toàn thường được sử dụng trong các mạch công suất cao, yêu cầu khả năng kiểm soát chính xác và nhanh chóng Chúng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống tự động, chuyển đổi nguồn điện và điều khiển công suất trong các thiết bị điện tử công nghiệp.
Các phần tử bán dẫn công suất
2.1.1 Chất bán dẫn và sự phân cực của mặt ghép N-P a Chất bán dẫn
Chất bán dẫn thuần là các nguyên tố thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn Mendeleev, như Gemanium (Ge) và Silicium (Si).Ở điều kiện bình thường, chúng là những chất cách điện, nhưng khi được kích thích bởi nguồn năng lượng bên ngoài, các nguyên tử mạng bắt đầu xảy ra quá trình ion hóa, tạo ra trạng thái dẫn điện cho chất bán dẫn.
Trong quá trình nghiên cứu, 12 cặp hạt dẫn tự do đã được phát hiện, trong đó điện tử thoát khỏi liên kết ghép đôi để trở thành hạt tự do, để lại một liên kết bị khuyết, tạo ra các lỗ trống trong cấu trúc Điều này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế dẫn điện và đặc tính điện tử của vật liệu Phát hiện này có ý nghĩa quan trọng cho nghiên cứu các nguồn điện mới và các ứng dụng trong công nghệ bán dẫn.
Người ta tiến hành pha thêm các nguyên tử thuộc nhóm V của bảng tuần hoàn Mendeleev vào mạng tinh thể bán dẫn nguyên chất bằng các công nghệ đặc biệt Quá trình này đạt nồng độ khoảng 10^10 đến 10^18 nguyên tử/cm³, giúp tạo ra chất bán dẫn tạp chất loại n hiệu quả.
Hình 1-1 Chất bán dẫn loại N Hình 1-2 Chất bán dẫn loại P
* Chất bán dẫn tạp chất loại P
Người ta tiến hành pha thêm nguyên tử thuộc nhóm III của bảng tuần hoàn Mendeleev vào trong mạng tinh thể bán dẫn nguyên chất nhờ các công nghệ đặc biệt, tạo thành tạp chất loại P Đặc điểm chính của nguyên tử tạp chất là thiếu một electron ngoài cùng, gây ra một liên kết hoá trị bị khuyết, gọi là lỗ trống liên kết có khả năng nhận điện tử Khi nguyên tử tạp chất bị ion hoá, nó sinh ra cặp ion âm tạp chất và lỗ trống tự do, hình thành mặt ghép P-N, là yếu tố quan trọng trong các thiết bị bán dẫn.
Khi hai đơn tinh thể bán dẫn loại p và loại n tiếp xúc nhau, các hiện tượng vật lý xảy ra tại điểm tiếp xúc đóng vai trò then chốt trong việc hình thành vùng chuyển tiếp Mặt ghép p-n là thành phần quan trọng trong hầu hết các thiết bị bán dẫn hiện đại, tạo điều kiện cho dòng điện diode, transistor hoạt động hiệu quả Hình 1 – 3 mô tả rõ quá trình hình thành mặt ghép p-n và sự phát triển của vùng chuyển tiếp, giúp hiểu rõ cấu trúc cũng như chức năng của các thiết bị bán dẫn.
- Các lỗ của vùng p tràn sang vùng n là nơi có ít lỗ
Trong các điện tử chuyển từ vùng n sang vùng p, hiện tượng khuếch tán xảy ra do sự chênh lệch nồng độ điện tử giữa hai vùng Kết quả là trong miền –h < x < 0, điện tích trở nên âm do tích tụ electron, trong khi các vùng lân cận trở nên tích cực hơn nhờ quá trình mất điện tử Hiện tượng này tạo ra một điện tích không gian âm, góp phần hình thành các đặc tính điện của diode hoặc các thiết bị bán dẫn liên quan.
Miền 0 < x < + h mất điện tích âm và được điện tích dương, vậy trong miền này xuất hiện một điện – tích – không – gian dương
Trong bài viết này, ta đề cập đến mật độ lỗ (p) và mật độ điện tử (n), đều có giá trị nhỏ, khoảng từ 10^-8 đến 10^-6 mét Do kích thước của các vùng này hạn chế, chúng dẫn đến vùng chuyển tiếp có khả năng dẫn điện kém Khi đó, các điện tích cơ động trong vùng này mất đi, khiến vùng trở thành vùng cách điện, ảnh hưởng lớn đến đặc tính điện của vật liệu.
Trong vùng chuyển tiếp hình thành một điện – trường – nội – tại , ký hiệu là
Điện trường nội tại Ei, còn gọi là barrier điện thế, có chiều từ vùng n hướng về vùng p và ngăn cản sự di chuyển của các điện tích đa số (điện tử vùng n và lỗ vùng p) Tuy nhiên, Ei tạo điều kiện thuận lợi cho sự di chuyển của các điện tích thiểu số (điện tử vùng p và lỗ vùng n), dẫn tới hình thành dòng điện ngược hay còn gọi là dòng điện rò Ngoài ra, quá trình phân cực của mặt ghép p-n đóng vai trò quan trọng trong việc xác định đặc tính điện của bán dẫn và ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị điện tử.
Khi thiết bị bán dẫn gồm hai mặt ghép p và n được đặt lưới điện áp nguồn có cực tính phù hợp, chiều của điện trường ngoài đối lập với chiều của điện trường nội tại Ei, làm cho dòng điện i chạy dễ dàng trong mạch Trong trường hợp này, tổng điện trường có hướng ngược lại với điện trường nội tại, giúp điện tích đa số dễ dàng di chuyển hơn và làm cho các điện tử tái chiếm vùng chuyển tiếp, biến nó thành dẫn điện Người ta gọi mặt ghép p – n là phân cực thuận, điều này làm giảm điện trường nội tại và tăng khả năng dẫn điện của thiết bị bán dẫn.
Hình 1 – 4 Sự phân cực thuận
14 Điện trường ngoài E tác động cùng chiều với điện trường nội tại Ei Điện trường tổng hợp cản trở sự di chuyển của điện tích đa số
Các điện tử trong vùng n di chuyển trực tiếp về cực dương của nguồn E, làm tăng điện thế của vùng này so với vùng p Vùng chuyển tiếp trở nên rộng hơn và đóng vai trò là lớp cách điện, không có dòng điện chạy qua mặt ghép p – n Vì vậy, mặt ghép p – n được gọi là phân cực ngược, phản ánh trạng thái ngược chiều của dòng điện qua vùng này.
2.1.2 Cấu tạo và ký hiệu của diode a Cấu tạo và ký hiệu k p n A k A Điode bán dẫn có cấu tạo là một vùng chuyển tiếp p – n với hai điện cực được nối ra bên ngoài Phía miền p gọi là anốt, phía miền n gọi là catốt
Cấu trúc và ký hiệu được vẽ trên hình 1-6a và hình 1-6b b Nguyên lý hoạt động của diode u u u
Hình 1-7 trình bày nguyên lý hoạt động của diode trong mạch điện Khi tác dụng điện áp xoay chiều lên điốt, trong nửa chu kỳ dương của nguồn điện, điốt được phân cực thuận và cho phép dòng điện chạy qua, giúp chuyển đổi tín hiệu AC thành DC Quá trình này là cơ sở của các ứng dụng chỉnh lưu trong hệ thống điện tử Việc hiểu rõ hoạt động của diode là chìa khóa để thiết kế các mạch điện hiệu quả và bền bỉ trong công nghiệp và công nghệ.
Hình 1 - 6a Cấu trúc của diode Hình 1 - 6b Ký hiệu của diode
Trong nửa chu kỳ âm, điốt hoạt động ở chế độ bão hoà S, khi đó điốt bị phân cực ngược và trở thành vật cách điện, gọi là chế độ bão hòa B Việc chuyển đổi giữa các chế độ này không thể diễn ra ngay lập tức, đặc biệt khi từ chế độ S sang chế độ B Hiểu rõ đặc điểm của các chế độ làm việc của điốt giúp tối ưu hiệu quả trong các mạch điện tử sử dụng điốt.
Khi đặt điốt dưới điện áp dương, các điện tử từ vùng n vượt qua hàng rào để đến cực dương của nguồn, tạo dòng điện thuận Ngược lại, khi điốt chịu điện áp âm, các điện tử ở vùng p phải quay về vùng n, gây ra dòng điện ngược chạy qua từ C tới A trong một thời gian ngắn, với cường độ lớn hơn dòng ngược bình thường Cường độ dòng ngược này ban đầu rất lớn rồi giảm dần và gần như bằng 0 sau khoảng thời gian gọi là toff, thường khoảng 10^-6 giây Trong chế độ khóa, dòng điện ngược rất nhỏ và không đáng kể; khi điốt trở lại chế độ thuận, dòng điện i cần một thời gian gọi là ton, khoảng 10^-6 giây, để các điện tích đa số hoạt động di động và dòng điện đạt giá trị U/R.
2.1.3 Đường đặc tính vôn-ampe của điốt (V-A) Đường đặc tính V-A của điốt bao gồm 2 nhánh: nhánh thuận 1 và nhánh ngược 2 hình 1- 8a Dưới điện áp U > 0, điốt được phân cực thuận, bare điện thế giảm xuống gần bằng 0 Khi tăng U, lúc đầu dòng tăng từ từ, sau khi U lớn khoảng 0,1V thì i tăng nhanh, đường đặc tính có dạng hàm mũ
BỘ CHỈNH LƯU
Khái niệm chung
1.1 Định nghĩa và cấu trúc
- Định nghĩa: Chỉnh lưu là thiết bị biến đổi dòng điện (điện áp) xoay chiều thành dòng điện một chiều
* Cấu trúc chỉnh lu nh hình vẽ:
Hình 2-1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu
- U1, P1: Nguồn và công suất xoay chiều đầu vào
- BA: Máy biến áp dùng để biến đổi điện áp xoay chiều
- U2, P2: Nguồn và công suất xoay chiều sau máy biến áp
- U-, P-: Nguồn và công suất một chiều sau chỉnh lưu
- Lọc: Bộ lọc san phẳng điện áp và dòng điện sau chỉnh lưu
1.2 Phân loại mạch chỉnh lưu
- Theo số pha: một pha, hai pha, ba pha, sáu pha…
+ Toàn diode là chỉnh lưu không điều khiển
+ Toàn tiristor là chỉnh lưu điều khiển
- Một nửa chỉnh lưu, một nửa diod là chỉnh lưu bán điều khiển (chỉnh lưu điều khiển không đối xứng)
- Phân loại theo sơ đồ mắc van: hình tia, hình cầu
- Phân loại theo công suất
1.3 Các thông số cơ bản của mạch chỉnh lưu
- Những thông số có ý nghĩa quan trong để đánh giá chỉnh lu bao gồm:
+ Dòng điện tải: Id = Udc/Rd
+ Dòng điện chạy qua van: IV = Id/m ;
+ Điện áp ngược của van: UN = Umax
+ Số lần đập mạch trong một chu kì: m
+ Độ đập mạch (nhấp nhô) của điện áp tải
1.4 Nguyên tắc dẫn của các van dẫn
- Nhóm van nối chung catod (K):
+ Nguyên tắc diode dẫn: Điện áp anode van nào dương hơn diode ấy dẫn, U AK 0 Khi đó điện thế điểm A bằng điện thế anode đồng nhất
+ Nguyên tắc dẫn và điều khiển tiristor:
- Nhóm van nối chung anod (A)
+ Nguyên tắc diode dẫn: Điện áp catot van nào âm hơn diode ấy dẫn
U AK Khi đó điện thế điểm K bằng điện thế anot âm nhất
+ Nguyên tắc dẫn và điều khiển tiristor:
Mạch chỉnh lưu không điều khiển
2.1 Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ không điều khiển a Xét trường hợp tải thuần trở
Hình 2-4 Sơ đồ mạch và điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
- Xét trong khoảng ( 0 ) điện áp dương đặt lên anot của Diode nên
U AK do đó Diode dẫn
- Xét trong khoảng ( 2 ) điện áp âm đặt lên anot của Diode nên
U AK do đó diot khóa
- Các thông số của sơ đồ:
+ Dòng điện chạy qua diode: ID = Id
+ Điện áp ngược của van: Ungmax = Umax
+ Công suất biến áp: b Xét trường hợp tải điện cảm:
Cuộn dây tích luỹ và xả năng lượng, gây ra dòng điện và điện áp có dạng hình sóng đặc trưng Khi dòng điện biến thiên chạy qua cuộn dây, nó sinh ra các tín hiệu điện có dạng như hình vẽ, phản ánh quá trình tích luỹ và phóng xả năng lượng của cuộn dây trong mạch.
L di e L L do đó Diode dẫn thêm một đoạn âm, trong đó t ar tan( L )
- Các thông số của sơ đồ:
+ Dòng điện chạy qua diod: ID = Id
+ Điện áp ngược của van:
+ Công suất máy biến áp:
Hình 2-5 Sơ đồ mạch và điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu tải điện cảm
2.2 Chỉnh lưu không điều khiển cả chu kỳ với biến áp có trung tính a Xét trường hợp tải R:
Nguyên lý hoạt động của mạch dựa trên sự thay đổi của điện áp u21 và u22 trong khoảng từ 0 đến π, trong đó u21 dương và u22 âm Khi điện áp dương được đặt lên anốt của diode D1, sẽ làm cho UAK > 0, từ đó diode D1 dẫn điện Điều này giúp mạch hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi tín hiệu điện áp trong phạm vi cụ thể, đảm bảo hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống.
D2 khóa vì UAK < 0 khi đó: i21 = iD1 = id = Sin t
Hình 2-6a Sơ đồ mạch uD2 =u22 –u21 = -2 2 U 2 Sin t , Ungmax = -2 2 U 2
Trong khoảng:( 2 ) u21 âm, u22 dương nên điện áp dương dặt lên anot D2 nên UAK > 0 do đó D2 dẫn
Khi đó: i22 = iD2 = id = Sin t
Cả chu kỳ ta có dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu có ở sơ đồ dưới b Xét trường hợp tải R + L:
Cuộn dây tích luỹ và xả năng lượng, gây ra dòng điện và điện áp biến thiên theo dạng sóng như hình vẽ Khi dòng điện biến thiên chạy trong cuộn dây, nó sinh ra các hiện tượng cảm ứng từ, ảnh hưởng đến đặc điểm dòng điện và điện áp trong mạch Hiện tượng này là lý do chính tạo ra các dạng dao động điện tử trong các mạch có cuộn dây, giúp hiểu rõ hơn về bản chất của dòng điện biến thiên.
L di e L L do đó Diode dẫn thêm một đoạn âm, trong đó t ar tan L
Dạng điện áp và dòng điện sau chỉnh lưu của toàn bộ chu kỳ (0 đến 2π) được thể hiện rõ nét qua hình vẽ ở dưới, cho thấy sự biến đổi của điện áp ra u và dòng điện ra i sau quá trình chỉnh lưu Dạng điện áp ra sau chỉnh lưu gồm các thành phần phục vụ hoạt động của tải R và tải RL, giúp cung cấp nguồn điện ổn định và hiệu quả cho hệ thống Hiểu rõ đặc điểm của điện áp chỉnh lưu là yếu tố quan trọng trong việc thiết kế và tối ưu hóa hệ thống nguồn năng lượng, đảm bảo khả năng hoạt động liên tục và ổn định của các thiết bị điện tử.
Hình 2-6b Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu d Thông số của sơ đồ
- Điện áp dòng điện trung bình trên tải:
- Dòng điện trung bình trên tải và qua diode: d d d R
- Trị hiệu dụng dòng thứ cấp của máy biến áp:
- Trị tức thời của dòng thứ cấp: i2 = i21 – i22 = Sin t
- Điện áp ngược lớn nhất của van: U Ng max 2 2 U 2
- Công suất của của máy biến áp: S2BA = 2U2I21 = 1.74UdId
2.3 Chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển a Sơ đồ mạch
- Xét nửa chu kỳ dương ( 0 ) điện áp dương đặt lên Anot của D1, D2 nên uAKD1,D2
- Xét nửa chu kỳ âm ( 2 )điện áp ân nhất đặt lên Catot của D3 , D4 nên uAKD3,D4 > 0 =>
Tổng hợp cả chu kỳ ta có dạng điện áp và dòng điện như hình vẽ dưới: ud = uEF = uD1, D2
- Với mạch có L ≠ 0 thì dạng điện ra sau chỉnh lưu sẽ dẫn thêm một đoạn là arc tan L
Khi điện áp và dòng điện được biểu diễn dưới dạng sóng hình sin, việc xét hai nửa chu kỳ âm và dương giúp hình thành dạng sóng sau chỉnh lưu Điện áp ra sau chỉnh lưu thể hiện rõ sự biến đổi của điện áp qua các nửa chu kỳ, góp phần đảm bảo nguồn điện đầu ra ổn định Các hình vẽ minh họa cho thấy dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu, giúp hiểu rõ hơn về quá trình chuyển đổi của hệ thống điện Điều này đặc biệt quan trọng trong việc thiết kế và phân tích các bộ chỉnh lưu để tối ưu hiệu suất và độ bền của hệ thống điện.
Hình 2-7b Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu e Các thông số của sơ đồ
Điện áp và dòng điện tải có hình dạng giống như chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp trung tính, khiến các thông số tương tự như trong trường hợp trước được áp dụng.
- Dòng điện trung bình trên tải: Id = Ud/ R
- Trị trung bình dòng chảy qua Diot: ID = Id/ 2
- Điện áp ngược lớn nhất mà mỗi Diode phải chụi là: UND = 2U 2
2.4 Chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển a Sơ đồ mạch xét trường hợp tải R
Hình 2-8a Sơ đồ mạch b Hoạt dộng của sơ đồ xét trường hợp tải R
* Xét hai nhóm anot chung và anot chung
+ D1, D3, D5 dẫn ở nửa chu kỳ dương, van nào có điện áp dương nhất sẽ dẫn khi đó: uAK
+ Thứ tự dẫn sẽ là : điện áp pha A đặt lên van
D1 nên D1 dẫn, điện áp pha B đặt lên van D3 nên D3 dẫn, điện áp pha C dặt lên pha van D5 nên D5 dẫn
+ Xét trong khoảng (1 - 3) ta có u2a > u2b > u2c khi đó điện áp pha A dương nhất đặt vào anot của diode D1 nên UAKD1 > 0 => D1 dẫn
Hình 2-8b Sơ đồ mắc catot chung + Xét trong khoảng (3 - 5) ta có u2b > u2c > u2a khi đó điện áp pha B dương nhất đặt vào anot của diode D3 nên UAKD3 > 0 => D3 dẫn
+ Xét trong khoảng (5 - 7) ta có u2c > u2c > u2a khi đó điện áp pha C dương nhất đặt vào anot của diode D5 nên UAKD5 > 0 => D5 dẫn
- Xét nhóm anot chung: u 2c i AB u 2b u 2a
+ D2, D4, D6 dẫn ở nửa chu kỳ âm , van nào có điện áp âm nhất sẽ dẫn khi đó: uAK > 0
Trong quá trình điều khiển, điện áp pha A được đặt lên van D4 để D4 dẫn, tiếp theo điện áp pha B được đặt lên van D6 để D6 dẫn, cuối cùng, điện áp pha C đặt lên van D2 để D2 dẫn Quá trình này đảm bảo hoạt động chính xác của các van điện từ, tối ưu hóa hệ thống điều khiển pha Việc xác định thứ tự dẫn của các van D4, D6, và D2 dựa trên nguyên tắc đảm bảo an toàn và hiệu quả cho hệ thống điện.
+ Xét trong khoảng (2 - 4) ta có u2c < u2a < u2b khi đó điện áp pha C âm nhất đặt vào canot của diode D2 nên UAKD2 > 0 => D2 dẫn
Hình 2-8b Sơ đồ mắc atot chung
+ Xét trong khoảng (4 - 6) ta có u2a < u2b < u2c khi đó điện áp pha A âm nhất đặt vào canot của diode D2 nên UAKD4 > 0 => D4 dẫn
+ Xét trong khoảng (6 - 8) ta có u2b < u2a < u2c khi đó điện áp pha B âm nhất đặt vào canot của diode D6 nên UAKD6 > 0 => D6 dẫn
Trong toàn bộ chu kỳ, tín hiệu điện áp và dòng điện sau chỉnh lưu có dạng như UD1, 3, 5 và UD2, 4, 6, phản ánh qua đồ thị minh họa Do tải có tính chất cảm, dòng điện ra sau chỉnh lưu thường có dạng phẳng hơn so với điện áp, giúp ổn định dòng điện và giảm biến dạng điện áp Điều này cho thấy rõ quá trình chỉnh lưu ảnh hưởng như thế nào đến dạng sóng điện áp và dòng điện trong hệ thống, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của mạch.
Hình 2-8c Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu d Các thông số của mạch chỉnh lưu 3 pha không điều khiển tải R
- Điện áp dòng điện, chỉnh lưu và van:
- Điện áp ngược lớn nhât đặt lên mỗi van: UNngax = 6 U 2 2 45 U 2
- Dòng điện trung bình trên tải: Id = Ud/ R
- Trị trung bình dòng chảy qua Diot: ID = Id/ 3
- Công suất của máy biến áp là: SBA = 1.05 UdId
2.5 Chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển a Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển tải R
- Nguồn cung cấp cho mạch:
Hình 2-9a Sơ đồ mạch b Nguyên lý hoạt động của mạch tải R
- Vì mạch mắc theo kiểu catot chung nên D1, D2, D3 chỉ dẫn ở nửa chu kỳ dương
- Xét trong các khỏang (1 - 2) ta có u2a > u2b > u2c nên pha A đặt lên van D1 là dương nhất nên UAKD1 > 0 => D1 dẫn
- Xét trong các khỏang (2 - 3) ta có u2b > u2a > u2c nên pha B đặt lên van D2 là dương nhất nên UAKD2 > 0 => D2 dẫn
- Xét trong các khỏang (3 - 4) ta có u2c > u2b > u2a nên pha C đặt lên van D3 là dương nhất nên UAKD3 > 0 => D3 dẫn
- Xét cả chu kỳ là tổng hợp của ba khoảng dẫn của các van D1, D2, D3 theo thứ tự các pha A, B, C
45 c Điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu tải R
Hình 2-9b Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu d Các thông số của sơ đồ
Điện áp, dòng điện trung bình trên tải, dòng điện trung bình qua mỗi diode, điện áp ngược lớn nhất đặt lên mỗi diode và công suất của máy biến áp là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của mạch điện Việc đo lường chính xác các tham số này giúp đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống, nâng cao tuổi thọ các thành phần điện tử Trong quá trình thiết kế, cần lưu ý giới hạn điện áp ngược của diode để tránh hỏng hóc do quá tải, đồng thời tính toán công suất máy biến áp phù hợp nhằm đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ điện năng của tải.
Mạch chỉnh lưu có điều khiển
3.1 Mạch chỉnh lưu tia 1 pha nửa chu kỳ a Trường hợp tải thuần trở
* Sơ đồ mạch chỉnh lưu:
Hình 2-10a Sơ đồ mạch chỉnh lưu
Hình 2-10b Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
Nguồn cung cấp cho mạch là: u 2 2 U 2 sin t U 2 m sin (V) Điều kiện Tiristor dẫn là: 0 0
U I Điều kiện để Tiristor khoá là: U AK 0 hoặc là có dòng điện ngược đủ lớn hặc điện trung bình qua T nhỏ hơn giá trị dòng duy trì
Trong nửa chu kỳ đầu (θ từ 0 đến π rad), điện áp u₂ có dạng u₂ = U₂m sin θ và có giá trị dương, biểu thị pha phân cực thuận Tuy nhiên, để kích hoạt T, cần đến thời điểm α khi có xung mồi trên cực G từ khâu phát xung (IG > 0), vì chỉ khi đó mới đủ hai điều kiện để mở T Điều này thể hiện rõ quá trình hoạt động của mạch, trong đó khoản thời gian từ điểm bắt đầu tới thời điểm kích hoạt là yếu tố quyết định trong quá trình điều khiển đóng mở T.
Nửa chu kỳ sau ( = 2 +2k rad): u2 < 0, T phân cực ngược (uAK <
Giai đoạn = 0 : Tiristor khóa ud = 0; id = 0
Giai đoạn = :Tiristor dẫn ud = u2 – uT u2(); id = ud/R Giai đoạn = 2 : Tiristor khóa ud = 0; id = 0
- Điện áp trung bình trên tải Ud:
- Dòng điện trung bình trên tải Id : ( 1 cos α )
- Dòng điện trung bình chảy qua van IT : I T I d t
- Điện áp ngược cực đại mà van phải chịu: U ngmax 2 U 2
- Điện áp tải được tính như sau:
U d b Trường hợp tải điện cảm
* Sơ đồ mạch chỉnh lưu
- Nguồn cung cấp cho mạch là: u 2 2U 2 sint 2U 2 sin (V)
- Nửa chu kỳ đầu ( = 0 rad): u2 > 0, T phân cực thuận, đến thời điểm
khi có xung kích trên cực G từ khâu phát xung (IG > 0) thì T mới mở (đủ 2 điều kiện để mở T)
Dòng điện có tính cảm nên chậm pha hơn so với điện áp, gây ra đường cong dòng điện kéo dài ra ngoài phía π khi u2 đã chuyển sang chu kỳ âm Hiện tượng này xảy ra do dòng điện biến thiên chạy trong cuộn dây sinh ra suất điện động tự cảm (sđđ): eL = -L diL/dt, khiến điện áp vẫn duy trì một đoạn cộng thêm liên quan đến arctan(L * R / diL/dt).
- Phương trình cân bằng điện áp: R i 2 U 2 (sin ω t α ) dt
Hình 2-11b Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
Hình 2-11c Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
- Nửa chu kỳ sau ( = 2 rad): u2 < 0, T phân cực ngược (uAK < 0) nên
T khóa lại Tiristor khóa ud = 0; id = 0
- Điện áp trung bình trên tải Ud:
- Dòng điện trung bình trên tải Id:
- Dòng điện trung bình chảy qua van IT: I T I d
- Điện áp ngược cực đại mà van phải chịu: U ngmax 2 U 2
- Điện áp tải được tính như sau:
49 c Xét trường hợp tải điện cảm có diode xả năng lượng
* Sơ đồ mạch chỉnh lưu
- Nguồn cung cấp cho mạch là: u 2 2U 2 sint 2U 2 sin
- Diode D0 là diot hoàn năng lượng, vì khi có dòng điện biến thiên chạy trong cuộn dây sinh ra sức điện động: eL = - LdiL/dt
- Khi van ngắt thì diode dẫn dòng khép mạch như hình vẽ, để bảo vệ van Tiristor
* Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
3 2 Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính a Sơ đồ mạch chỉnh lưu tải R (L = 0)
* Nguồn cung cấp cho mạch chỉnh lưu:
Hình 2-12b Dạng điện áp và dòng điện khi không có diode xả năng lượng
Hình 2-12b Dạng điện áp và dòng điện khi có diode xả năng lượng
* Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu:
+ Xét nửa chu kỳ dương thời gian từ (0 - ): điện áp dương đặt lên anot của T1 nên U AK > 0 khi có xung điều khiển t = α1 nên T1 thông đến
Trong nửa chu kỳ âm từ (π - 2π), điện áp âm tại cực âm của T2 được đặt lên katốt, khiến U_AK > 0 khi có xung điều khiển tại thời điểm t = α₂, dẫn đến T2 mở thông đến 2π Khi tải có đặc tính cảm kháng R + L, quá trình điều khiển và điều phối dòng điện chịu ảnh hưởng bởi đặc tính cảm kháng của tải, ảnh hưởng đến hoạt động của bộ chỉnh lưu trong toàn bộ chu kỳ.
- Sơ đồ mạch như trên
- Nguyên lý hoạt động của mạch:
+ Xét nửa chu kỳ dương thời gian từ (0 - ): điện áp dương đặt lên anot của T1 nên U AK > 0 khi có xung điều khiển t = α1 nên T1 thông đến
+ Xét nửa chu kỳ âm thời gian từ ( - 2 ): điện áp âm nhất đặt lên katốt của T2 nên U AK > 0 khi có xung điều khiển t = α2 nên T2 thông đến 2
+ Nhưng tải có tính cảm nên diện áp dẫn thêm một đoạn âm = arctan ( L
), tổng hợp cả chu kỳ ta có dạng điện áp và dòng điện như hình vẽ
Hình 2.13b Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
Hình 1-13c: Dạng điện áp và dòng sau chỉnh lưu c Điện áp chỉnh lưu được tính như sau:
- Khi dòng điện liên tục = thì Ud = 0,9 U2 cos d Chỉnh lưu có diode xả năng lượng
Với t u21 u 22 Hình 2-14a Sơ đồ mạch
* Dạng điện áp ra sau chỉnh lưu
Khi tải có tính chất cảm và có dòng điện biến thiên chạy qua, sẽ sinh ra sức điện động cảm ứng eL = -L diL/dt Sức điện động này đủ lớn để gây thủng thyristor, gây nguy hiểm cho thiết bị Để bảo vệ thyristor khỏi bị đánh thủng, ta mắc một diode song song theo chiều của dòng điện, như hình vẽ.
- Khi đó dòng điện sẽ khép kín mạch như hình vẽ: R - D – L – R để bảo vệ diode
3.3 Chỉnh lưu cầu 1 pha (đối xứng và bất đối xứng) a Chỉnh lưu cầu 1 pha đối xứng
- Nguồn cung cấp cho mạch là: u 2 2U 2 sint 2U 2 sin (với t )
- Xét nửa chu kỳ dương thời gian từ (0 - ): điện áp dương đặt lên anot của T1 và T2 nên
Hình 2-16a Sơ đồ mạch Hình 2-14b Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
- Từ (0 ÷α) : U AKT 1 , T 2 0T1, T2 khoá vì chưa có xung điều khiển
U T1, T2 mở, và phát xung điều khiển I G 0 cho T3,T4 khóa
- Xét nửa chu kỳ âm thời gian từ ( ÷2 ) điện áp âm nhất đặt lên catot của T3,T4 nên UAKT3,4 > 0
+ Từ ( ÷ +): T3, T4 khoá vì chưa có xung điều khiển
T3,T4 mở vì phát xung điều khiển I G 0 cho T3, T4
* Tải có tính chất cảm: R + L:
Trong nửa chu kỳ dương τừ 0 đến π, điện áp đặt lên anot của T1 và T2 gây ra dòng điện có chiều dương (U AK > 0) Do đặc tính cảm ứng của tải, dòng điện chậm pha hơn so với điện áp, khiến đường cong dòng điện kéo dài ra ngoài π một đoạn φ = arctan(L / ), thể hiện rõ mối liên hệ giữa cảm kháng và góc lệch pha trong mạch.
) khi mà u đã chuyển sang chu kỳ âm Gọi là góc tắt dòng
+ Từ (0 ÷ α): U AKT 1 , T 2 0 T1, T2 khoá vì chưa có xung điều khiển
Hình 2-16b Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
U T1, T2 mở, vì phát xung điều khiển I G 0 cho T1,
U T1, T2 tiếp tục mở vì tải mang tính cảm nên sinh ra sức điện eL = - LdiL/dt động chống lại sự biến thiên của điện áp vào
T3, T4 không mở vì chưa có I G
U T3, T4 mở vì phát xung điều khiển I G 0 cho T3, T4 i T1,2 i d i T34 t U,i i d
* Giá trị trung bình của điện áp tải, dòng điện tải, dòng qua thyrister khi tải R:
- Điện áp ngược đặt lên mỗi T là : U ng max 2U 2
Hình 2-16c Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
* Giá trị trung bình của điện áp tải, dòng điện tải, dòng qua thyrister khi tải
I U Điện áp ngược đặt lên mỗi T là : U ng max 2U 2
* Mắc thêm Diode D0 để bảo vệ Thyristor
Tải có thành phần L mang tính chất tích điện, khi giá trị của T vượt quá giới hạn cho phép, Catot của T lớn hơn anôt gây ra hiện tượng phân cực ngược Điều này dẫn đến điện áp ngược U_L vượt quá giá trị tối đa U_ng max của cuộn L, gây hiện tượng phóng điện làm hỏng T.
- Cho nên ta mắc D 0 song song với tảI để bảo vệ cho T, khi L phóng điện tạo thành mạch khép kín như hình vẽ:
* Đặc điểm điều khiển đồng thời 2 van
- Sơ đồ điều khiển đồng thời 2 tiristor b Chỉnh lưu cầu 1 pha bất đối xứng
- Khắc phục nhược điểm về điều khiển đồng thời hai tiristor
- Tại mỗi thời điểm chỉ mở một tiristor u 2
Hình 2-17b Sơ đồ mạch điều khiển
* Sơ đồ mạch chỉnh lưu
Tuỳ theo cách mắc tiristir có 2 loại sơ đồ :
Van bán dẫn nối cựng cực tính Van bán dẫn nối không cùng cực tính u 2
* Các điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu:
Hình 2-18b Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
Hình 2-18b Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
57 c Sơ đồ điều khiển chỉnh lưu cầu một pha
3.4 Chỉnh lưu cầu 3 pha (đối xứng và bất đối xứng) a Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng tải R + L
* Sơ đồ điều khiển và sơ đồ mạch động lực
* Nguyên lý hoạt động của mạch
Chỉnh lưu cầu dùng diode được phân thành hai nhóm chính: nhóm anot chung và nhóm katot chung Trong đó, nhóm katot chung dẫn trong nửa chu kỳ dương khi có xung điều khiển thứ tự các van mở, còn nhóm anot chung hoạt động trong nửa chu kỳ âm khi có xung điều khiển theo thứ tự để mở các van Các loại chỉnh lưu này giúp điều chỉnh dòng điện một cách hiệu quả, phù hợp với ứng dụng cần chuyển đổi điện AC sang DC.
- Xét nhóm canot chung dẫn ở nửa chu kỳ dương:
Hình 2-20 Sơ đồ mạch điều khiển cầu 1 pha
+ Xét khoảng (1 ÷ 3) có u2a > u2b > u2c khi đó điện áp dương nhất đặt vào anot của T1 => UAKT1 > 0, tại t = 1 phát xung điều khiển cho T1
+ Xét khoảng (3 ÷ 5 ) có u2b > u2a > u2c khi đó điện áp dương nhất đặt vào anot của T3 => UAKT3 > 0, tại t = 3 phát xung điều khiển cho T3
Xét khoảng (5 ÷ 7 ) có u2c > u2b > u2a khi đó điện áp dương nhất đặt vào anot của T5 => UAKT5 > 0, tại t = 5 phát xung điều khiển cho T5 => T5 dẫn
- Xét nhóm canot chung dẫn ở nửa chu kỳ âm:
Xét khoảng (2 ÷ 4) có u2c < u2b < u2a khi đó điện áp âm nhất đặt vào catot của T2 => UAKT2 > 0, tại t = 2 phát xung điều khiển cho T2 => T2 dẫn
Xét khoảng (4 ÷ 6 ) có u2a < u2b < u2c khi đó điện áp dương nhất đặt vào catot của T6 => UAKT6 > 0, tại t = 6 phát xung điều khiển cho T6 => T6 dẫn
Khi xét khoảng (θ6 ÷ θ8), ta có u2b < u2c < u2a, dẫn đến việc đặt điện áp âm nhất vào cực âm của transistor T4, đảm bảo UAKT4 > 0 Tại thời điểm t = α4, phát xung điều khiển cho T4 khiến T4 dẫn điện và tạo ra điện áp ra trên tải là Ud = UT1,3,5 – UT2,4,6 theo hình vẽ minh họa.
* Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu: u 2a
Hình 2-21b Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
Trong các trường hợp góc mở lớn hơn α = 90 độ, hệ thống hoạt động ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc, khiến động cơ hoạt động như một máy phát, trả năng lượng về lưới điện Đặc biệt, khi góc mở vượt quá ngưỡng này, dễ dẫn đến việc điều chỉnh chế độ vận hành của mạch trở nên phức tạp hơn, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của hệ thống Việc hiểu rõ ảnh hưởng của góc mở lớn hơn 90 độ giúp tối ưu hóa hoạt động của mạch và đảm bảo an toàn, hiệu quả khi điều khiển các hệ thống điện năng lượng tái tạo.
- Dưới đây ta xét mộ số trường hợp ứng với các gócα tương ứng
Hình 2-21c Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
Hình 2-21d Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
Hình 2-21e Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
Hình 2-21f Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
* Sơ đồ khối phát xung điều khiển b Chỉnh lưu cầu 3 pha bất đối xứng
* Sơ đồ mạch chỉnh lưu có hai sơ đồ như hình vẽ
Hình 2-22a Sơ đồ mạch Hình 2-22b Sơ đồ mạch
Hình 2-21g Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
Hình 2-21h Sơ đồ mạch điều khiển thyristor sử dụng mạch số
Từ sơ đồ mạch, ta nhận thấy nhóm catốt chung dẫn trong nửa chu kỳ dương gồm các van T1, T2, T3 Khi điện áp đặt lên van nào có giá trị dương nhất U_AKT > 0 và có xung điều khiển IG > Igst, van đó sẽ dẫn Trong trường hợp đặc biệt với góc α = 30°, điện áp dẫn của mỗi van sẽ thay đổi theo hình vẽ đã cho, phản ánh rõ quá trình đóng mở của các van trong điều kiện hoạt động cụ thể.
Hình 2-23b Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
Trong nửa chu kỳ âm, các van D1, D2, D3 được xét cùng nhóm anot chung Khi đó, van nào có điện thế âm nhất sẽ được đặt lên cực catốt Nếu lúc đó UAKD > 0, diode đó sẽ dẫn điện, góp phần vào quá trình hoạt động của mạch.
- Tổng hợp cả chu kỳ (0 2 ) ta có : Ud = UT1,2,3 – UD1,2,3, dòng điện Id = IT1
+ IT2 + IT3 + ID1 + ID2 + ID3 theo phương pháp cộng đồ thị ta có dạng điện áp và dòng điện của chỉnh lưu cầu bất đối xứng như hình 2-23b
Hình 2-23b Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
* Điện áp và dòng điện trung bình trên tải:
- Trị trung bình của dòng điện tải:
U d ; (α: góc phát xung điều khiển)
- Trị trung bình dòng điện tài: Id = Ud/ R
- Trị trung bình của dòng chảy qua Thyristor và Diot: ID = IT = Id/ 3
- Trị hiệu dụng dòng thứ cấp máy biến áp: I2a 2
3.5 Chỉnh lưu tia 3 pha a Sơ đồ mạch chỉnh lưu tải R
Giống như chỉnh lưu dùng điôt các van dẫn ở nửa chu kỳ dương và khi có xung điều khiển cho các van
* Nguyên tắc hoạt động của mạch:
- Xét trong khoảng (0 ÷ 1) ta có u2a > u2b > u2c khi đó điện áp dương nhất của pha A đặt vào anot của van T1 nên uAKT1 > 0, tại t = 1 phát xung điều khiển cho T1 => T1 dẫn
- Xét trong khoảng (1 ÷ 3) ta có u2b > u2a > u2c khi đó điện áp dương nhất của pha B đặt vào anot của van T2 nên uAKT2 > 0, tại t = 2 phát xung điều khiển cho T2 => T2 dẫn
- Xét trong khoảng (3 ÷ 5) ta có u2b > u2a > u2c khi đó điện áp dương nhất của pha B đặt vào anot của van T3 nên uAKT3 > 0, tại t = 3 phát xung điều khiển cho T3 => T3 dẫn
* Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu:
Hình 2-24b Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu
* Thông số của sơ đồ mạch
- Khi tải thuần trở góc mở nhỏ hơn 30 0 :
- Khi góc mở van lớn hơn 30 0 : b Sơ đồ mạch chỉnh lưu tải R + L
Hình 2-24.c,d Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu khi > 30 0 và < 30 0 c d
- Giống như chỉnh lưu dùng diode các van dẫn ở nửa chu kỳ dương UAK > 0 và khi có xung điều khiển IG > Igst cho các van
- Xét trong khoảng (1 ÷ 3): u2a > u2b > u2c mà điện áp dương nhất đặt lên anot của T1 => UAKT1 > 0, tại t = 1 phát xung điều khiển cho T1 nên T1 dẫn
Vì tải có tính chất cảm nên dẫn thêm một đoạn âm
- Xét trong khoảng (3 ÷ 5): u2b > u2b > u2a mà điện áp dương nhất đặt lên anot của T3 => UAKT3 > 0, tại t = 3 phát xung điều khiển cho T3 nên T3 dẫn
Vì tải có tính chất cảm nên dẫn thêm một đoạn âm
- Xét trong khoảng (5 ÷ 7): u2c > u2a > u2b mà điện áp dương nhất đặt lên anot của T5 => UAKT5 > 0, tại t = 5 phát xung điều khiển cho T5 nên T5 dẫn
Vì tải có tính chất cảm nên dẫn thêm một đoạn âm
Hình 2-25b,c Dạng điện áp và dòng điện ra sau chỉnh lưu khi > 30 0 và < 30 0
* Thông số của sơ đồ:
* Hoạt động của sơ đồ khi có diode xả năng lượng:
- Khi tải có tính chất cảm sức điện động sinh ra eL= -Ldi/dt giá trị này đủ lớn để đánh thủng
Thyristor để bảo vệ van bán dẫn người ta mắc thêm diod xả năng lượng như hình vẽ
Mạch điều khiển thyristor
Hệ thống điều khiển các bộ chỉnh lưu phải tạo ra các xung điều khiển cấp cho các thyristor trong mạch lực, đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc phù hợp Các xung điều khiển phải đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc từ 0° đến 180°, giúp kiểm soát chính xác quá trình chỉnh lưu Trong quá trình hoạt động, phạm vi thay đổi góc có thể bị hạn chế, từ min đến max, tùy thuộc vào yêu cầu và giới hạn hệ thống Việc đồng pha trong điều khiển là cần thiết để đảm bảo hoạt động tối ưu của bộ chỉnh lưu, góp phần nâng cao hiệu suất hệ thống.
Tạo xung và Khuếch đại xung
Uđk Điện Điện áp tựa
Hình 2-27 Sơ đồ khối mạch phát xung
Tạo xung chữ nhật được trình bày hình dưới đây:
- u1: điện áp nguồn xoay chiều;
Trong nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn ta có:
68 i1 = u1/ R1; iC = E/ R2 ; uđb = 0; trong nửa chu kỳ âm diode D1 dẫn dòng, D0 bị khóa, uđb = E
Hình 2-28 Sơ đồ mạch tạo xung đồng pha
4.3 Khối phát xung chủ đạo
Tạo điện áp răng cưa đồng bộ sử dụng một transistor và tụ điện uđb giúp tạo ra xung đồng bộ tại điểm 0 của điện áp nguồn xoay chiều us Quá trình này giúp điều chỉnh điện áp răng cưa đồng bộ chính xác, tối ưu hóa hoạt động của mạch Việc sử dụng transistor cùng tụ điện đảm bảo sự ổn định và chính xác trong việc sinh ra xung đồng bộ, phù hợp cho các ứng dụng điều khiển và chuyển đổi nguồn điện xoay chiều.
Hình 2-29 Sơ đồ khối phát xung chủ đạo
Khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán ký hiệu là OA:
Mạch so sánh làm việc ở hai chế độ:
Ur = Kd.(UP- UN) = K.Ud
Kd = (10 4 10 5 ): hê số khuyếch đại điện áp:Ud bhoa d
Chế độ bão hoà: Ud > Ubhoa / Kd ; Ura = Ubh
Ví dụ: Kd = 10 5 ; Up = 15 V ; Ubh = 14 V thì Ud = 0,14 (mV)
Vậy có thể kết luận: Ud > 0 thì Ura = Ubh
OA được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điều khiển tự động tạo hàm, tạo các bộ điều chỉnh P, PI, PID, tạo
Hình 2-30a Sơ đồ khối so sánh
Hình 2-30b Điện áp ngõ ra
4.5 Khối sửa xung và khuếch đại xung
Hình 2-31 trình bày sơ đồ mạch khuếch đại xung, trong đó tín hiệu vào ue mang đặc tính logic Khi ue bằng 1, bộ transistor T mở bão hòa, còn khi ue bằng 0, T bị khóa Điện trở R1 hạn chế dòng điện cực collector, giúp bảo vệ cực collector của transistor Diode Dr kiểm soát quá điện áp trên các cực collector-emiter của transistor, tránh quá áp gây hỏng hóc Diode D2 ngăn chặn xung áp âm có thể xảy ra khi xung bị khóa, đảm bảo tín hiệu ổn định Rg hạn chế dòng điều khiển, còn R2 ảnh hưởng đến biên độ và hình dạng của xung ra, góp phần điều chỉnh chất lượng của tín hiệu khuếch đại.
Ban đầu: khi ue = 0 iL = iC = 0, UCE = E, iDr = 0
Khi t = 0 và điện áp đầu vào ue = 1, tụ điện T được mở, và cảm trở L không cho dòng iC đạt ngay giá trị bão hòa là IC = E/ R1 Hàm dòng điện iC tăng dần theo quy luật hàm mũ, phản ánh quá trình nạp của tụ điện trong mạch điện Điều này cho thấy quá trình biến đổi của dòng điện theo thời gian và ảnh hưởng của các thành phần mạch đến tốc độ đạt trạng thái ổn định.
Sau một khoảng thời gian 5, iC = IC = E / R1 Bên thứ cấp biến áp xung xuất hiện một xung điện áp trên R2 để mở Thyristor Th
Khi t = T, ue = 0, bấy giờ iL đạt giá trị:
Didoe Dr là bảo vệ Th vì khi năng lượng trên cuận dây biến áp xung W 1/2(L.I 2 0) làm qúa điện áp trên các cực Colecter và emiter của Transistor T.
TCA785
Vi mạch TCA 785 của hãng Siemens là vi mạch phức hợp có khả năng thực hiện đồng bộ, tạo xung răng cưa, so sánh và phát xung điều khiển, đáp ứng đầy đủ các chức năng của một mạch điều khiển Sản phẩm mới này đã thay thế TCA 780 trước đây, thường được ứng dụng trong các thiết bị chỉnh lưu và điều chỉnh dòng điện xoay chiều TCA 785 giúp nâng cao hiệu quả và độ ổn định trong các hệ thống điều khiển công nghiệp và tự động hóa.
Các tham số kỹ tuật cơ bản :
- Góc điều chỉnh α = (0 – 180) độ điện
- Điện áp nguồn cung cấp : Vcc = 18V
- Dòng tiêu thụ : Is = 10(mA)
5.1 Cấu tạo và dạng điện áp ra của các chân
Hình 2-32a Hình dạng bên ngoài của vi mạch TCA 785
Hình 2- 32b Điện áp trên các chân của vi mạch
5.2 Khối phát xung điều khiển thyristor a Sơ đồ 1:
Hình 2-33a Sơ đồ mạch điều khiển TCA 785 chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển b Sơ đồ 2:
Hình 2-33b Sơ đồ mạch điều khiển TCA 785 của điều áp xoay chiều 1 pha dùng triac
Máy phát xung UJT
Transistor là một thiết bị bán dẫn nằm trong lớp tiếp giáp p-n, có khả năng điều chỉnh điện trở của bán dẫn thông qua các phần tử tải điện Đây là thành phần quan trọng trong công nghệ điện tử, giúp kiểm soát dòng điện tự nhiên hoặc dòng điện điều khiển Transistor còn được gọi là lớp tiếp giáp, đóng vai trò quan trọng trong các mạch điện tử, tăng cường khả năng xử lý tín hiệu và điều khiển dòng điện chính xác.
Dưới đây là sơ đồ cấu trúc, ký hiệu và sơ đồ tương đương
Trong một lớp bán dẫn có điện trở suất lớn loại n, người ta phun tạp chất để tạo thành bán dẫn loại p, hình thành vùng bán dẫn p Tại miền bán dẫn loại p này, người ta chế tạo cực emitter bằng bán dẫn loại n, từ đó tạo ra hai cực đáy B1 và B2 Quá trình này giúp đảm bảo hoạt động ổn định của transistor bán dẫn, phục vụ cho các ứng dụng điện tử và vi mạch hiện đại.
Chính vì thế mà transistor 1 lớp tiếp giáp
UJT gọi là điot hai đáy
Hình 2-34a Ký hiệu của UJT l1 l2 n B1
Hình 2-34b,c Cấu tạo và sơ đồ tương đương của UJT
Nguyên lý hoạt động của mach được trình bày ở hình dưới: khi U <
U0 không có dòng qua diode, và tụ điện mắc qua điện trở R Khi điện áp trên tụ tăng dần đến giá trị U > Umở, tụ sẽ phóng điện qua diode, làm giảm điện áp trên tụ Quá trình này tiếp tục lặp lại một cách tuần hoàn khi điện áp U giảm xuống dưới U0, khiến dòng qua diode và R1 tăng lên tại cực.
B1 xuất hiện xung kim dương, B2 xuất hiện xung kim âm Chu kỳ T 0.8RC Để mạch phát được xung nhọn thì R < 100
Hình 2-35a Điện áp ra trên các chân của UJT
Muốn thay đổi độ rộng xung ta có mạch sau: Thay đổi giá trị của biến trở R3 là thay đổi được độ rộng xung ra E
Hình 2-35b Sơ đồ mắc tạo xung ra của
Bộ phát xung dùng IC 555
Hình 2-36 Sơ đồ mạch tạo xung ra của IC 555
Câu hỏi ôn tập bài 2 Câu 1 Trình bày sơ đồ mạch và nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ tải R + L?
Câu 2 Trình bày sơ đồ mạch và nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ tải R?
Câu 3 Trình bày sơ đồ mạch và nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu 1 pha hình tia tải R?
Câu 54 Trình bày sơ đồ mạch và nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu 1 pha hình cầu tải R?
Câu 5 Trình bày sơ đồ mạch và nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu 1 pha hình cầu tải R + L?
Câu 6 Trình bày sơ đồ mạch và nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia tải R?
Câu 7 Trình bày sơ đồ mạch và nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia tải R ?
Câu 8 Trình bày sơ đồ mạch và nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia tải R +L?
Câu 9 Trình bày sơ đồ mạch và nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu 3 pha hình cầu tải R?
Câu 10 Trình bày các khối trong mạch phát xung điều khiển Thyristor?
Câu 11 Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCA 785?
Câu 12 Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ phát xung dùng UJT?