Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như các khoá bán dẫn, còn gọi là các van bán dẫn, khi van bán dẫn mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn còn khi khoá thì khôn
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Trị trung bình (Average)
Xét một đồ thị sóng tín hiệu Sin như sau :
+ Vp : điện áp tức thời lớn nhất được tính từ điểm gốc 0 đến biên độ dương +Vp Như hình trên thì là 0->+Vp
Vpp là điện áp đo giữa đỉnh dương và đỉnh âm của dạng sóng, thể hiện tổng điện áp của hai mức dương và âm so với điểm không Công thức tính Vpp là Vpp = (-Vp->0) + (0->+Vp), phản ánh rõ ràng dao động của tín hiệu Trong trường hợp tín hiệu sóng không có mức âm, thì Vp chính bằng Vpp, giúp dễ dàng xác định biên độ của tín hiệu sóng.
Vavg là mức điện áp trung bình của dạng sóng, thể hiện giá trị điện áp được dàn đều trong một chu kỳ Đối với sóng sin có hai miền âm dương, điện áp trung bình ở miền dương bằng điện áp trung bình ở miền âm, phản ánh sự cân bằng của sóng điện áp trong quá trình hoạt động.
Vrms, viết tắt của Root Mean Square (Căn bậc hai của trung bình các bình phương), là giá trị hiệu dụng hay giá trị thực của tín hiệu Đây là tham số quan trọng trong đo lường điện áp và dòng điện, giúp xác định chính xác công suất và hiệu suất của hệ thống điện Việc hiểu rõ Vrms giúp các kỹ sư và người sử dụng đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của các thiết bị điện.
1.2 Trị hiệu dụng (Root Mean Square-rms):
Giá trị hiệu dụng RMS là 0.707 lần so với giá trị max (giá trị cực đại) hay giá trị cực đại bằng √2 = 1.414 nhân với giá trị hiệu dụng
Trong dạng sóng hình sin, giá trị cực đại của dòng điện 1A hiệu dụng là 1,414A, trong khi đó, giá trị trung bình chỉ bằng khoảng 0,636 của giá trị cực đại, hay nói cách khác, nó chỉ bằng 0,9 giá trị hiệu dụng.
Với dạng sóng hình sin có giá trị hiệu dụng là 1A, ta sẽ có được công thức:
Giá trị trung bình Đối với dạng sóng không hình sin
Trong trường hợp, giá trị hiệu dụng bằng 1A, dạng sóng không hình sin ta có :
(Power Factor – ký hiệu là hay PF): là tỷ số giữa công suất tiêu thụ P và công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải.
Khi nguồn áp có dạng sóng sin và tải tuyến tính gồm các phần tử R, L, C có giá trị không đổi, dòng điện chạy qua tải cũng mang dạng sóng sin và bị lệch pha so với điện áp một góc φ Điều này phản ánh đặc trưng của mạch R-L-C hợp lý, ảnh hưởng đến hiệu suất truyền tải và phản ứng của mạch với tín hiệu xoay chiều Hiểu rõ mối liên hệ giữa pha lệch và thành phần của mạch giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống điện, giảm tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu quả hoạt động.
Ta có biểu thức tính hệ số công suất như sau:
Trong đó: U, I: lần lượt là trị hiệu của điện áp và dòng điện qua tải m: là tổng số pha.
CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Phân loại linh kiện điện tử công suất
- Các linh kiện bán dẫn công suất có hai chức năng cơ bản là ĐÓNG và NGẮT dòng điện đi qua nó
- Trạng thái linh kiện dẫn điện (ĐÓNG): linh kiện giống như một điện trở có giá trị rất bé (gần bằng không)
- Trạng thái linh kiện không dẫn điện (NGẮT): linh kiện giống như một điện trở có giá trị rất lớn
Các linh kiện bán dẫn có khả năng chuyển đổi trạng thái hoạt động từ dẫn điện sang không dẫn điện và ngược lại thông qua tín hiệu kích thích tác động lên cổng điều khiển Được gọi là linh kiện có điều khiển, các linh kiện này phản hồi với tín hiệu điều khiển là dòng điện, điện áp hoặc ánh sáng Tín hiệu điều khiển này có công suất nhỏ hơn nhiều so với công suất của nguồn điện và tải, giúp kiểm soát hoạt động của linh kiện một cách chính xác và hiệu quả.
Các linh kiện không có cổng điều khiển và thay đổi trạng thái làm việc dựa vào nguồn công suất ở ngõ ra được gọi là linh kiện không điều khiển được Những thiết bị này không yêu cầu tín hiệu điều khiển để thay đổi trạng thái hoạt động, thường chuyển đổi trạng thái dựa trên tác động của nguồn công suất đầu ra Việc xác định linh kiện không điều khiển giúp tối ưu hoá thiết kế hệ thống và giảm thiểu các thành phần điều khiển không cần thiết trong mạch điện tử.
Các linh kiện điều khiển được phân thành hai loại dựa trên khả năng tác động của tín hiệu điều khiển Đối với các linh kiện không có khả năng kích ngắt như SCR và TRIAC, tín hiệu chỉ dẫn dòng điện dẫn qua chúng mà không thể ngắt dòng điện Ngược lại, các linh kiện có khả năng kích ngắt như BJT, MOSFET, IGBT có thể chuyển đổi trạng thái từ đóng sang ngắt hoặc ngược lại thông qua tín hiệu kích thích từ cổng điều khiển.
Ta có thể phân ra thành ba nhóm linh kiện như sau :
- Nhóm các linh kiện không điều khiển như Diode, DIAC
- Nhóm các linh kiện điều khiển kích đóng được như SCR, TRIAC
- Nhóm các linh kiện điều khiển kích ngắt được như BJT, MOSFET, IGBT, GTO.
Diode Công Suất
2.2.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việc
Hình H1.1: Cấu trúc Diode (a) và ký hiệu (b)
Diode được cấu tạo từ mối nối P-N, trong đó lớp N chứa lượng điện tử dư thừa, còn lớp P thiếu điện tử nhưng lại chứa các phần tử mang điện dạng lỗ trống, tạo ra hàng rào điện thế khoảng 0,6V.
V a) phân cực thuận b) phân cực ngược
Hình H1.2: Sơ đồ nguyên lý phân cực cho diode
Khi ta đặt một điện áp lên diode, cực dương gắn với lớp P và cực âm gắn với lớp
Khi điện áp thuận được đặt lên diode (cực dương gắn với lớp N và cực âm gắn với lớp P - hình H1.2a), điện tử sẽ chuyển từ lớp N sang lớp P, trong khi các hạt mang điện, như lỗ trống và điện tử tự do, di chuyển ngược lại từ lớp P sang lớp N, tạo thành dòng điện qua diode Ngược lại, khi điện áp ngược được áp dụng (cực dương gắn với lớp N và cực âm gắn với lớp P - hình H1.2b), các điện tử và lỗ trống bị kéo xa khỏi mối nối, dẫn đến dòng điện rò nhỏ khoảng vài mA chỉ chạy qua diode.
Khi điện áp ngược tăng lên, các điện tích có xu hướng tăng gia tốc, dẫn đến va chạm mạnh trong dây chuyền Điều này làm cho hàng rào điện thế bị chọc thủng, gây hỏng diode và làm mất tính chất dẫn điện theo một chiều của thiết bị.
Trên hình vẽ, đầu ra của lớp P gọi là Anode (A) và lớp N là Cathode (K)
Đặc tính V –A thực tế (hình H1.3a) thể hiện các đặc điểm của mạch khi hoạt động trong điều kiện thực tế, trong khi đặc tính lý tưởng (hình H1.3b) mô tả hành vi lý thuyết của mạch không có các yếu tố mất mát Đặc tính có hai nhánh chính: nhánh thuận, tương ứng với trạng thái dẫn điện của thiết bị (được đặt ở góc phần tư I), và nhánh nghịch, biểu thị trạng thái ngắt của thiết bị (đặt ở góc phần tư III) Nhờ đó, bạn có thể so sánh rõ ràng sự khác biệt giữa hành vi thực tế và lý tưởng của mạch điện trong các điều kiện vận hành khác nhau.
Giải thích các ký hiệu :
- U 0 : điện áp khóa của diode, U 0 = 0,3V 0,6V tùy theo chất bán dẫn
U F : điện áp thuận của diode
-U R : điện áp ngược của diode (điện áp đánh thủng)
-I F : dòng điện thuận chạy qua diode
Khi điện áp đặt vào anode và cathode lớn hơn điện áp khóa của diode thì diode sẽ dẫn điện, ngược lại thì diode sẽ khóa (không dẫn điện)
Ta xét với trường hợp diode lý tưởng :
Quá trình chuyển mạch: là quá trình diode chuyển từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái ngắt
Hình H2.4: Quá trình chuyển mạch của
Trong khoảng [ 0 t 0 ] diode dẫn và dòng qua nó là dòng thuận I F
0 diode ngắt, dòng qua diode (dòng thuận) giảm dần về 0
1 : dòng thuận tiến tới 0, nhưng do chuyển động của các hạt dẫn nên diode tiếp tục dẫn với dòng có chiều ngược lại
2 : các hạt dẫn tiêu tán hết, diode khôi phục khả năng khoá áp ngược
3 : dòng ngược giảm về 0 Qúa trình ngắt diode kết thúc
Thời gian phục hồi tính nghịch: t rr t 3 t 1 1 s
Hình H1.5 trình bày mạch bảo vệ diode nhằm hạn chế tác động của hiện tượng quá áp và bảo vệ diode công suất Để đạt hiệu quả, mạch thường được mắc song song với diode trong mạch lọc RC, giúp giảm thiểu nguy cơ hỏng hóc do quá áp Tuy nhiên, trong thực tế, các diode công suất đã được tích hợp sẵn mạch lọc RC bên trong để tối ưu hóa bảo vệ và nâng cao độ tin cậy của hệ thống.
2.2.6 Các đại lượng định mức của diode Điện áp định mức: là điện áp ngược lớn nhất (U RM ) có thể lặp lại tuần hoàn trên diode
Dòng điện định mức (I FM) là dòng điện thuận lớn nhất chạy qua diode mà không gây hỏng hóc cho thiết bị Để nâng cao khả năng chịu áp tải, người ta thường ghép nối tiếp các diode Đồng thời, để cải thiện khả năng chịu dòng tải, các diode được ghép song song, giúp phân tán dòng điện và tăng độ bền cho hệ thống.
Hình dạng của một số diode trên thực tế như trên hình H1.6
Hình H1.6: Một số diode trên thực tế.
2.3 Transistor BJT (Bipolar Juntion Transistor)
2.3.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việc
Transistor có cấu tạo gồm ba lớp dạng n-p-n (hình H1.7a) hoặc p-n-p (hình H1.7b), trong đó dạng n-p-n được sử dụng phổ biến hơn do kích thước nhỏ hơn và khả năng hoạt động tối ưu với cùng mức điện áp và dòng điện.
Transistor là một linh kiện điện tử gồm có 3 cực chính: Base (B), Collector (C) và Emitter (E), trong đó cực B và E được điều khiển để kiểm soát hoạt động của transistor Mạch công suất thường được kết nối giữa cực C và E, giúp điều chỉnh dòng điện và tín hiệu điện một cách chính xác Điều này làm cho transistor trở thành thành phần quan trọng trong các thiết bị điện tử có yêu cầu điều khiển công suất và tín hiệu.
Ký hiệu của transistor như trên hình H1.8
Hình H1.7: Nguyên lý cấu tạo của transistor
Hình H1.8: Ký hiệu của transistor
Trong lĩnh vực điện tử công suất, transistor BJT chủ yếu được sử dụng như một công tắc để đóng mở các mạch điện hiệu quả Loại transistor phổ biến nhất là NPN và thường được mắc theo dạng mạch có Emitter chung để tăng cường hiệu suất và độ ổn định của phần tử.
Trên hai cực B và E, điện áp điều khiển u_BE được sử dụng để điều khiển hoạt động của transistor, trong khi các điện cực C, E đóng vai trò là công tắc để đóng/ngắt mạch công suất Để hoạt động hiệu quả, điện áp điều khiển phải tạo ra dòng i_B đủ lớn để làm cho điện áp giữa hai cực C và E bằng không, đảm bảo transistor chuyển đổi trạng thái chính xác.
Transistor là linh kiện được điều khiển hoàn toàn bằng dòng điện i B
Hình H1.9: Sơ đồ mắc theo dạng Emitter chung
2.3.2 Đặc tính V-A trong mạch có Emitter chung Đặc tính V-A ngõ ra của mạch mắc theo dạng E chung như trên hình H1.10a (đặc tính thực tế) và hình H1.10b (đặc tính lý tưởng) i C Vùng tích cực Vùng bão hòa Đ i C Điểm làm việc Đóng
Các đặc tính ngõ ra của mạch E thể hiện mối quan hệ giữa các đại ngõ ra, trong đó U_CE là biến độc lập và dòng kích i_B là thông số thay đổi Đặc tính ngõ ra được biểu diễn qua các đường cong thể hiện các giá trị khác nhau của i_B, giúp xác định điểm làm việc của transistor Đường thẳng U_CE = U - I_C R_C, gọi là đường đặc tính tải, cắt các đặc tính ngõ ra tại điểm xác định trạng thái hoạt động của transistor.
Trong vùng chứa đặc tính ngõ ra, ta phân biệt ba vùng: vùng nghịch, vùng bảo hòa và vùng tích cực
Vùng nghịch: i B = 0, transistor ởtrạng thái ngắt Dòng i C có giá trịnhỏ không đáng kể đi qua transistor và tải gọi là dòng điện rò
Vùng bảo hòa trong transistor là vùng giới hạn xác định bởi điện thế U_CE tại điểm sát nhỏ nhất có thể đạt được cùng với dòng collector I_C cho trước Vùng này được phân định dựa trên đường đặc tính của thiết bị, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của transistor trong các ứng dụng điện tử Hiểu rõ về vùng bảo hòa giúp tối ưu hóa hiệu suất làm việc của thiết bị, từ đó nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của mạch điện.
Nếu điểm làm việc nằm trong vùng bảo hòa (xem điểm đóng như trên hình
H1.10a), transistor sẽ đóng, transistor làm việc như một khóa đóng ngắt dòng điện
Vùng tích cực: là vùng transistor hoạt độngởchế độkhuếch đại tín hiệu
Với I B(sat) là dòng điện I B bảo hòa Để đơn giản, ta thường xét điều kiện đóng ngắt của transistor ở điều kiện lý tưởng
Quá trình dòng collector I C có dạng xung vuông như trên hình H1.11b Thời gian đúng t on kộo dài khoảng vài às, thời gian ngắt hơn 10às
Quá tình chuyển mạch Đóngg
Quá trình ngắt Quá trình đóng
Hình H2.11: Quá trình chuyển mạch của transistor
Quá trình chuyển mạch trong transistor gây ra công suất tổn hao do hoạt động đóng ngắt, ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị Công suất tổn hao này giới hạn tần số hoạt động tối đa của transistor, vì khi đóng ngắt, dòng điện lớn và điện áp cao khiến công suất mất mát tại điểm này trở nên đáng kể Do đó, hiệu quả và khả năng hoạt động của transistor phụ thuộc vào việc kiểm soát công suất tổn hao trong các quá trình chuyển mạch.
Quá trình chuyển đổi điểm làm việc từ vị trí Ngắt sang vị trí Đóng hoặc ngược lại được mô tả rõ ràng trong hình H1.11a Thời gian thực hiện quá trình này kéo dài trong khoảng t_on hoặc t_off, tùy thuộc vào trạng thái ban đầu và thiết kế hệ thống Quá trình chuyển đổi này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động liên tục và an toàn của hệ thống điện hoặc tự động hóa Việc nắm rõ đặc điểm thời gian chuyển đổi giúp tối ưu hóa hiệu suất và hạn chế các sự cố không mong muốn trong quá trình vận hành.
TRIAC
TRIAC được cấu tạo bởi hai SCR mắc đối song (hình H1.32) Do đó linh kiện có thể dẫn điện theo cả hai chiều
Việc kích dẫn TRIAC được thực hiện nhờ xung dòng điện đưa vào cổng điều khiển
G điều kiện để TRIAC dẫn điện là đưa xung dòng kích vào cổng điều khiển trong điều kiện tồn tại điện áp trên linh kiện khác không
Hình H1.32: Cấu tạo TRIAC(a) ký hiệu (b) và đặc tính V-A (c)
Giống như SCR, ta không thể điều khiển ngắt dòng điện qua TRIAC được Điều kiện ngắt dòng điện qua TRIAC giống như điều kiện ngắt SCR
2.7.2 Đặc tính V-A Đặc tính V-A của TRIAC tương tự như của SCR Do khả năng dẫn điện theo cả hai chiều, đặc tính V-A của TRIAc có dạng đối xứng qua tâm góc tọa độ (hình H2.32c)
Việc kích đóng TRIAC có thể chia thành hai trường hợp:
Trong thực tế, việc kích hoạt TRIAC được thực hiện dựa trên hướng dòng kích và dòng qua TRIAC Cụ thể, dòng kích dương được sử dụng khi dòng qua TRIAC là dương, còn dòng kích âm được áp dụng khi dòng qua TRIAC là âm, với chiều dương quy ước từ M1 đến M2 như hình H1.32a Điều này đảm bảo hoạt động chính xác của mạch và tối ưu hóa khả năng điều khiển công suất.
Mạch kích cho TRIAC như trên hình H1.33 và hình dáng của một số TRIAC trên thực tế như trên hình H1.34
Hình H1.33: Một dạng mạch kích cho TRIAC
Hình H1.34: Một số hình dáng của TRIAC
2.8 Gate Turn off Thyristor GTO
GTO có cấu tạo như trên hình H1.35a Cũng giống như SCR, GTO được kích đóng bằng xung dòng điện đưa vào cổng G khi điện áp Anode -Cathode dương U AK
0 Tuy nhiên, GTO có khả năng điều khiển ngắt bằng xung dòng đưa vào cổng
Gcó giá trị âm Vì vậy, GTO thích hợp cho một số ứng dụng khi yêu cầu điều khiển cả hai quá trình đóng và ngắt khoá bán dẫn a b c
Hình H1.35 trình bày cấu trúc của Thyristor GTO (a), sơ đồ tương đương (b) và ký hiệu biểu diễn (c) Điểm khác biệt quan trọng giữa GTO và SCR là dòng xung kích I_G phải được duy trì liên tục tại cổng G của GTO trong suốt quá trình thiết bị dẫn điện This ensures proper control of the GTO and optimal switching performance.
Linh kiện GTO cần phải có mạch bảo vệ để đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định Quá trình ngắt của GTO đòi hỏi sử dụng xung dòng kích đủ rộng, khiến thời gian ngắt sẽ kéo dài Mạch bảo vệ GTO, như hình H1.36, có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ linh kiện khỏi quá tải và sự cố Tụ điện C có dung tích từ 2μF đến 6μF, giúp cân bằng và cung cấp năng lượng cần thiết cho mạch bảo vệ hoạt động hiệu quả.
Mạch bảo vệ hạn chế quá áp khi ngắt GTO
Hình H1.36: Mạch bảo vệ GTO
Hình H1.37: Hình dáng thực tế
Hình dáng của một số GTO trên thực tế như trên hình H1.37
SSR, viết tắt của cụm từ tiếng Anh Solid State Relay, còn gọi là Rơ-le bán dẫn, là thiết bị điện tử có chức năng tương tự như Rơ-le cơ khí truyền thống Nó cho phép điều khiển các tải tiêu thụ lớn bằng một dòng điện nhỏ hơn, mang lại độ bền và hiệu suất cao hơn trong các hệ thống điện tự động.
Joystick đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như máy CNC, hệ thống điều khiển từ xa, thiết bị tự động hóa công nghiệp, ngành công nghiệp hóa chất, thiết bị y tế và hệ thống an ninh, thể hiện tính đa dạng và ứng dụng thiết thực trong cuộc sống hàng ngày và công nghiệp.
2.9.1 Cấu tạo Rơ le bán dẫn SSR
Rơ le bán dẫn có cấu tạo gọn nhẹ và đơn giản, không có bộ phận chuyển động đóng ngắt dòng điện như contactor hay relay cơ khí Rơ le cơ khí khi hoạt động thường phát ra tiếng động “tạch, tạch” và sinh ra tia lửa điện, gây tiếng ồn và giảm độ bền Trong khi đó, SSR (Solid State Relay) đã khắc phục những nhược điểm này nhờ cấu tạo không có bộ phận chuyển động, gồm các thành phần như diode phát quang và bộ Tri-ac, mang lại hiệu quả hoạt động ổn định, ít tiếng ồn và tuổi thọ cao hơn.
2.9.2 Nguyên lý hoạt động của SSR là gì ?
Rơ le bán dẫn (SSR) hoạt động dựa trên nguyên lý chung sử dụng một dòng điện điều khiển nhỏ để kiểm soát dòng điện tải lớn hơn nhiều Mặc dù có sự khác biệt về tín hiệu đầu vào như biến trở, tín hiệu analog 4-20mA, 0-10V hoặc tín hiệu relay từ bộ điều khiển, tất cả các SSR đều dùng dòng điện nhỏ này để kích hoạt các thiết bị tải lớn một cách hiệu quả và an toàn.
2.9.3 Các thông số quan trọng cần lưu ý:
Dòng điện điều khiển cần phải phù hợp để tránh làm hỏng rơ le hoặc không hoạt động đúng chức năng Cấp dòng điện quá lớn có thể gây chết rơ le, trong khi dòng quá nhỏ có thể khiến rơ le không hoạt động hiệu quả Khi sử dụng LED hồng ngoại, cần đặc biệt lưu ý vì điện áp quá mức có thể làm hỏng LED trong rơ le bán dẫn Để đảm bảo an toàn và tuổi thọ thiết bị, có thể mắc thêm trở hạn dòng nhằm kiểm soát dòng điện phù hợp, tránh gây hại cho các linh kiện điện tử trong hệ thống.
Dòng chịu tải đầu ra là một thông số quan trọng cần chú ý khi sử dụng rơ le bán dẫn Việc xác định chính xác dòng chịu tải ra giúp chúng ta mắc vào dòng điện phù hợp, tránh gây quá tải và làm hỏng rơ le Chọn đúng dòng chịu tải đảm bảo hoạt động ổn định và kéo dài tuổi thọ của thiết bị.
Hiệu điện thế đầu ra là một thông số quan trọng không kém dòng chịu tải, quyết định đến hoạt động của hệ thống điện Khi hiệu điện thế đầu ra quá thấp và kết nối với các tải có hiệu điện thế lớn hơn, có thể gây tổn hại nghiêm trọng cho rơ le, thậm chí dẫn đến hư hỏng thiết bị Việc đảm bảo hiệu điện thế phù hợp giúp duy trì độ bền và ổn định của hệ thống điện, tránh rủi ro và giảm thiểu sự cố kỹ thuật.
Điện áp đóng ngắt tải AC mắc nối tiếp
Bảo vệ mạch với nhiệt độ nào ?
Nhiệt độ hoạt động rộng bao nhiêu ?
2.9.4 Đánh giá ưu, nhược điểm của SSR: Ưu điểm:
Không xảy ra hiện tượng tóe lửa như nhiều loại rơ le khác và không gây nhiễu, không gây ra tiếng ồn
Độ bền và tuổi thọ cao cũng là một ưu điểm của rơ le bán dẫn
Dòng điều khiển thấp mà có thể điều khiển được điện áp cao
Kích thước nhỏ gọn ra đóng gói
Khi làm việc ở công suất lớn thì Rơ le cần tản nhiệt
Đòi hỏi người sử dụng có hiểu biết về điện tử chuyên sâu
Nhiều khi gây méo tín hiệu
Có thể dò điện và chết chập
2.9.5 Ứng dụng của Rơ le bán dẫn:
Gia nhiệt nhà máy nhựa, bao bì nhựa, hạt nhựa;
Gia nhiệt hệ thống lò điện, lò nung mẫu, lò hơi điện, lò thí nghiệm,…
Nhà máy sản xuất bao bì PP, PE,…
Nhà máy sản xuất linh kiện điện tử, đồ gia dụng,…
Sự khác nhau giữa SSR và Relay điện từ SCR:
Một số điểm khác nhau cơ bản của SSR và SCR là:
Relay điện từ có chi phí thấp hơn so với SSR, dễ sử dụng và cho phép chuyển đổi của một mạch điều khiển bằng điện năng thấp Tuy nhiên, relay có tốc độ xử lý chậm, dễ gây hồ quang gây nhiễu và tiếng ồn lâu dài trong quá trình sử dụng.
SSR hiện đang thay thế SCR do có khả năng khắc phục các điểm yếu và hạn chế của SCR Cấu tạo của SSR bao gồm việc tách điện giữa tín hiệu điều khiển đầu vào và điện áp tải đầu ra, nhờ vào sự hỗ trợ của cảm biến ánh sáng Coupler Điều này giúp SSR hoạt động ổn định và an toàn hơn trong các hệ thống điều khiển.
SSR hay relay điện tử nổi bật với độ tin cậy cao, giảm nhiễu điện từ (EMI) và không phát ra hồ quang hay từ trường, giúp nâng cao hiệu quả và an toàn trong hệ thống Với khả năng phản ứng nhanh hơn so với SCR, SSR phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ chuyển mạch cao Tuy nhiên, điểm hạn chế của SSR là sinh nhiệt nhiều hơn, dẫn đến tuổi thọ ngắn hơn so với SCR nếu không được làm mát đúng cách.
Công tắc điều khiển bán dẫn (SCS) là một linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp tiếp giáp P-N-P-N, có bốn điện cực gồm cực âm C, cổng cực âm Gx, cổng cực dương G2 và cực dương A Khác với SCR, SCS là linh kiện bán dẫn năng lượng thấp, xử lý dòng điện trong phạm vi miliampe thay vì ampe SCS có nhiều điểm khác biệt như có cổng bổ sung trong cổng anode, kích thước nhỏ hơn SCR, dòng rò và dòng giữ nhỏ hơn, đòi hỏi tín hiệu kích hoạt cũng nhỏ hơn và cung cấp đặc điểm kích hoạt đồng đều hơn giữa các mẫu.
SSR
SSR, viết tắt của cụm từ tiếng Anh Solid State Relay, hay còn gọi là Rơ le bán dẫn, có chức năng tương tự như Rơ le cơ khí thông thường Thiết bị này sử dụng một dòng điện nhỏ để điều khiển một tải tiêu thụ lớn hơn, mang lại độ bền và độ ổn định cao trong các hệ thống điện tự động.
Thiết bị này đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp như máy CNC, hệ thống điều khiển từ xa và các thiết bị tự động hóa công nghiệp Nó đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất, thiết bị y tế, hệ thống an ninh và nhiều lĩnh vực khác Sử dụng rộng rãi nhờ tính năng ưu việt và độ bền cao, thiết bị này giúp nâng cao hiệu suất làm việc và đảm bảo an toàn cho các hệ thống tự động hóa hiện đại.
2.9.1 Cấu tạo Rơ le bán dẫn SSR
Rơ le bán dẫn có cấu tạo gọn nhẹ và đơn giản hơn so với rơ le cơ khí, bởi không có bộ phận chuyển động đóng ngắt dòng điện như contactor hay relay kiếng Rơ le cơ khí khi hoạt động thường phát ra tiếng "tạch, tạch" và tia lửa điện, gây tiếng ồn và mòn linh kiện theo thời gian Trong khi đó, SSR (Solid State Relay) là loại rơ le bán dẫn khắc phục được nhược điểm này, hoạt động êm ái và bền bỉ hơn Cấu tạo của SSR gồm các linh kiện như diode phát quang và bộ Triac, giúp tăng độ tin cậy và hiệu suất làm việc trong các hệ thống tự động hóa.
2.9.2 Nguyên lý hoạt động của SSR là gì ?
Rơ le bán dẫn (SSR) hoạt động dựa trên nguyên tắc dùng một dòng điện nhỏ để điều khiển dòng điện tải lớn hơn nhiều, bất kể tín hiệu đầu vào là gì Các tín hiệu đầu vào như biến trở, tín hiệu analog 4-20mA, 0-10V hoặc tín hiệu relay từ bộ điều khiển đều có thể được sử dụng để kích hoạt SSR Nguyên lý chung của tất cả các SSR là sử dụng dòng điện nhỏ để điều khiển một dòng điện tải lớn, đảm bảo hiệu quả và độ bền trong quá trình vận hành.
2.9.3 Các thông số quan trọng cần lưu ý:
Dòng điện điều khiển cần được cài đặt hợp lý để tránh làm hỏng rơ le hoặc gây không hoạt động hiệu quả Việc cung cấp dòng điện quá lớn có thể khiến rơ le bị chết, trong khi dòng quá nhỏ lại không đủ để hoạt động đúng chức năng Đặc biệt khi sử dụng LED hồng ngoại, cần chú ý bởi điện áp vượt quá mức quy định có thể gây chết LED trong rơ le bán dẫn Để đảm bảo an toàn và độ bền, nên mắc thêm trở hạn dòng nhằm kiểm soát dòng điện truyền qua LED, từ đó bảo vệ các linh kiện tránh khỏi hư hỏng do quá tải.
Dòng chịu tải đầu ra là thông số quan trọng cần lưu ý khi sử dụng rơ le bán dẫn Việc biết chính xác dòng chịu tải ra giúp kết nối rơ le với dòng điện phù hợp, tránh gây hư hỏng hoặc chết thiết bị Điều này đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của hệ thống điện.
Hiệu điện thế ở đầu ra là một thông số quan trọng cần chú ý, tương tự như dòng chịu tải Nếu hiệu điện thế đầu ra quá thấp nhưng lại mắc vào các tải có hiệu điện thế lớn hơn, sẽ gây ra hiện tượng quá tải và có thể làm hỏng hoặc phá hủy rơ le Vì vậy, đảm bảo hiệu điện thế phù hợp là yếu tố then chốt để bảo vệ các thiết bị điện và duy trì hoạt động ổn định của hệ thống.
Điện áp đóng ngắt tải AC mắc nối tiếp
Bảo vệ mạch với nhiệt độ nào ?
Nhiệt độ hoạt động rộng bao nhiêu ?
2.9.4 Đánh giá ưu, nhược điểm của SSR: Ưu điểm:
Không xảy ra hiện tượng tóe lửa như nhiều loại rơ le khác và không gây nhiễu, không gây ra tiếng ồn
Độ bền và tuổi thọ cao cũng là một ưu điểm của rơ le bán dẫn
Dòng điều khiển thấp mà có thể điều khiển được điện áp cao
Kích thước nhỏ gọn ra đóng gói
Khi làm việc ở công suất lớn thì Rơ le cần tản nhiệt
Đòi hỏi người sử dụng có hiểu biết về điện tử chuyên sâu
Nhiều khi gây méo tín hiệu
Có thể dò điện và chết chập
2.9.5 Ứng dụng của Rơ le bán dẫn:
Gia nhiệt nhà máy nhựa, bao bì nhựa, hạt nhựa;
Gia nhiệt hệ thống lò điện, lò nung mẫu, lò hơi điện, lò thí nghiệm,…
Nhà máy sản xuất bao bì PP, PE,…
Nhà máy sản xuất linh kiện điện tử, đồ gia dụng,…
Sự khác nhau giữa SSR và Relay điện từ SCR:
Một số điểm khác nhau cơ bản của SSR và SCR là:
Relay điện từ có chi phí thấp hơn so với SSR, giúp dễ dàng sử dụng và chuyển đổi mạch nạp điều khiển bằng điện năng thấp Tuy nhiên, relay điện từ có tốc độ xử lý chậm hơn, dễ gây hồ quang và tạo ra tiếng ồn khi sử dụng lâu dài.
SSR hiện đang thay thế SCR do khắc phục hiệu quả những điểm yếu và hạn chế của SCR Việc tách biệt điện giữa tín hiệu điều khiển đầu vào và điện áp tải đầu ra được thực hiện nhờ vào cảm biến ánh sáng Coupler, giúp nâng cao độ ổn định và an toàn trong hệ thống điều khiển điện.
SSR hay relay điện tử có ưu điểm vượt trội về độ tin cậy cao, giảm nhiễu điện từ (EMI) và không sinh hồ quang hay từ trường gây ảnh hưởng Thời gian phản ứng nhanh hơn so với SCR giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống Tuy nhiên, SSR sẽ sản sinh nhiệt và có tuổi thọ ngắn hơn so với SCR, cần chú ý đến việc làm mát để đảm bảo hoạt động bền bỉ.
SCS
Công tắc điều khiển bán dẫn (SCS) là một linh kiện bán dẫn có cấu trúc ba lớp tiếp giáp P-N-P-N, gồm bốn điện cực gồm cực âm C, cổng cực âm Gx, cổng cực dương G2 và cực dương A Khác với SCR, SCS có khả năng xử lý dòng điện nhỏ hơn, thường ở mức mA thay vì A, phù hợp cho các ứng dụng năng lượng thấp SCS nổi bật với đặc điểm có một cổng bổ sung trong cổng anode, kích thước nhỏ gọn hơn SCR, đồng thời có dòng rò và giữ dòng nhỏ hơn, đòi hỏi tín hiệu kích hoạt rất nhỏ Nhờ vậy, SCS mang lại khả năng kích hoạt đồng đều hơn giữa các mẫu sản phẩm khác nhau, nâng cao độ ổn định và hiệu quả vận hành của linh kiện.
Trong mạch tương đương hai transistor, một xung âm tại cổng anode G2 kích hoạt transistor Q1, cung cấp dòng điện cơ bản để bật transistor Q2, qua đó cả hai transistor đều hoạt động Ngược lại, một xung dương tại cổng cực âm G1 có thể làm tắt linh kiện này, vì chỉ cần dòng điện nhỏ để điều khiển Hệ thống SCS có thể dễ dàng bị tắt bởi các xung phân cực phù hợp tại một trong các cổng, trong đó xung âm cần thiết để tắt tại cổng cực âm và xung dương để bật tại cổng cực dương.
2.10.3 Đặc tính V-A Đặc tính volt-ampere của SCS tương tự như của SCR và được thể hiện trên hình Khi tăng điện áp, dòng điện đầu tiên tăng chậm lên đến điểm A và sau đó nhanh chóng ở vùng AB Tại điểm B, β1β2 vượt quá giới hạn cho phép và linh kiện được bật lên Ở trạng thái bật, dòng điện tăng rất lớn và bị giới hạn bởi điện trở loạt ngoài SCS vô tình được bật nếu điện áp anode đột ngột đi qua Điều này được gọi là hiệu ứng tốc độ, được gây ra bởi điện dung giữa các điện cực giữa các điện cực G1 và G2 , được gọi là điện dung chuyển tiếp
2.10.4 Ưu điểm và ứng dụng của SCS
Một lợi thế quan trọng của SCS so với SCR là thời gian tắt ngắn hơn, với phạm vi từ 1 đến 10 micro giây, giúp nâng cao hiệu suất hoạt động và giảm thiểu thời gian chết của hệ thống Trong khi đó, SCR có thời gian tắt từ 5 đến 30 micro giây, thường lâu hơn, ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng của thiết bị Vì vậy, SCS là lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng yêu cầu phản ứng nhanh và độ tin cậy cao trong quá trình hoạt động.
SCS có những ưu điểm vượt trội so với SCR, đặc biệt là khả năng kiểm soát và kích hoạt độ nhạy cao hơn Tuy nhiên, SCS hạn chế hoạt động ở các mức công suất, dòng điện và điện áp thấp, với dòng anode tối đa thông thường chỉ vào khoảng từ 100 mA đến 300 mA và mức tiêu tán năng lượng cũng giới hạn trong phạm vi nhất định.
SCS (Signal Conditioning System) có công suất hoạt động phổ biến là 500 mW và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm các loại mạch máy tính như bộ đếm, thanh ghi và mạch thời gian Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong các cảm biến điện áp, máy phát xung và các bộ dao động, góp phần nâng cao hiệu suất và độ chính xác của các hệ thống điện tử.
1.Đo, kiểm tra linh kiện ĐTCS
2.Lắp mạch ứng dụng SCR, Triac, Điac
BỘ CHỈNH LƯU
Bộ chỉnh lưu một pha
3.1.1 Chỉnh lưu một pha không điều khiển
3.1.1.1 Chỉnh lưu nửa chu kỳ
Trong mạch chỉnh lưu thể hiện trong hình H2.1a, khi điện áp nguồn ở bán kỳ dương, diode U AK có giá trị dương, dẫn điện và cho dòng chảy qua mạch Ngược lại, ở bán kỳ âm, U AK âm, diode không dẫn điện, đảm bảo quá trình chỉnh lưu diễn ra chính xác.
Hình 3-1: Sơ đồ và dạng sóng chỉnh lưu một pha nửa sóng
Xét trường hợp tải thuần trở
Các thông số của sơ đồ:
• Dòng điện tải: Id = Ud/ Rd
• Dòng điện chạy qua diod: ID = Id
• Điện áp ngược của van: Ung = 1.4U2
3.1.1.2 Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ hình tia ( MBA có điểm giữa)
- Sơ đồ mạch: Điện áp cuộn thứ cấp biến áp:
- Điện áp trung bình của tải:
3.1.1.3 Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ hình cầu
3.1.2 Chỉnh lưu một pha có điều khiển
Tổng quan về mạch điều khiển
Diode là linh kiện tự dẫn điện khi U AK > 0, giúp tạo ra điện áp chỉnh lưu (điện áp một chiều) có giá trị không đổi Tuy nhiên, đối với các tải yêu cầu điều chỉnh điện áp, như điều chỉnh tốc độ động cơ, bộ chỉnh lưu dùng diode không đáp ứng được Vì vậy, người ta thay thế diode bằng thyristor (SCR) để có thể điều chỉnh giá trị điện áp chỉnh lưu một cách linh hoạt hơn.
SCR là linh kiện điện tử thuộc nhóm chỉ điều khiển kích đóng, có khả năng ngắt hoặc kích hoạt bằng cách đặt điện áp ngược hoặc triệt tiêu dòng điện qua nó Để kích hoạt SCR và giữ nó ở trạng thái dẫn điện, cần phải thỏa mãn hai điều kiện chính: điện áp đặt vào cực điều khiển (GATE) đủ lớn và dòng điện qua GATE phải vượt quá ngưỡng nhất định Khi các điều kiện này được đáp ứng, SCR sẽ chuyển sang trạng thái dẫn và duy trì trạng thái này cho đến khi ngắt nguồn hoặc dòng điện qua nó bị gián đoạn.
+Xuất hiện điện áp khóa trên SCR: U AK > 0
+Có dòng xung kích đủ lớn tác động vào cỗng G
Góc điều khiển, hay còn gọi là góc kích (ký hiệu là ), là góc đo từ thời điểm mở tự nhiên của mạch đến khi có xung kích được đưa vào cực G của SCR Đây là yếu tố quan trọng trong quá trình điều chỉnh hoạt động của SCR, giúp xác định thời điểm kích hoạt và kiểm soát dòng điện trong mạch Hiểu rõ góc điều khiển giúp tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị bán dẫn trong hệ thống điện tự động và công nghiệp.
Thời điểm mở tự nhiên là thời điểm mà ở đó diode bắt đầu dẫn điện
Gọi X 0 là thời điểm mở tự nhiên Ta có:
+Đối với chỉnh lưu 1 pha: X 0 = 0 (hình H3.1a)
+Đối với chỉnh lưu ba pha: X 0
X 0 =0X X 0 của pha A X 0 của pha B X 0 của pha C
Hình H3.1: Vị trí X 0 của diode
Gọi X là vị trí đưa xung kích vào cực G của SCR
Ta xác định được góc kích như sau:
3.1.2.1 Chỉnh lưu nửa chu kỳ có điều khiển
Sơ đồ mạch chỉnh lưu điều khiển bán kỳ cho tải thuần trở một pha được thể hiện rõ trong hình H3.1a, giúp hiểu rõ cấu trúc mạch và cách hoạt động của hệ thống Đối với tải R – L – E, như mô tả trong hình H3.1b, thường là động cơ điện một chiều, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn chính xác Tải một chiều R – L – E đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống truyền động điện, đảm bảo hiệu quả hoạt động và khả năng điều chỉnh linh hoạt Mạch chỉnh lưu bán kỳ là một phần thiết yếu trong việc chuyển đổi nguồn xoay chiều thành dòng một chiều ổn định, tối ưu hóa cho các thiết bị công nghiệp và tự động hóa.
Hình H3.2: Sơ đồ chỉnh lưu bán kỳ một pha có điều khiển Đồ thị dạng sóng ở ngõ ra của bộ chỉnh lưu như trên hình H3.2
Điện áp chỉnh lưu có một xung với chu kỳ bằng chu kỳ nguồn xoay chiều, phù hợp với hình H3.2a Khi tải thuần trở, điện áp chỉnh lưu U_d bằng không và dòng điện qua tải I_d cũng tắt khi điện áp nguồn U bằng không, như minh họa trong hình H3.2a.
Hình H3.2b thể hiện tải R-L-E có khả năng lưu trữ năng lượng, khiến linh kiện không ngắt khi điện áp nguồn bằng không, mà vẫn tiếp tục dẫn dòng do dòng tải I d lớn hơn 0 Khi dòng tải I d bằng 0, linh kiện ngưng dẫn và điện áp chỉnh lưu U d bằng điện áp E, đảm bảo quá trình chỉnh lưu diễn ra liên tục và hiệu quả.
Trong hai trường hợp trên, dòng điện tải luôn có đoạn bằng không nên được gọi là dòng tải gián đoạn
Giả sử điện áp nguồn xoay chiều có dạng: u (t ) U m sin(t)
Trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:
Với: U là trị hiệu dụng của điện áp nguồn
SCR dẫn điện trong khoảng thời gian nữa chu kỳ điện áp nguồn Do đó, trị trung bình dòng điện qua linh kiện:
SCR 2 Điện áp ngược lớn nhất đặt lên linh kiện:
Phạm vi góc điều khiển: 0 180 0
3.2.1.2 Chỉnh lưu toàn kỳ có điều khiển
Hình 3.3: Sơ đồ chỉnh lưu cầu dùng SCR
Dạng diện áp ra cũng giống trường hợp chỉnh lưu hình tia nhưng biên độ gấp đôi Điện áp trung bình lối ra: (3.5)
Ngoài sơ đồ chỉnh lưu cầu như ở trên, còn có các mạch chỉnh lưu gọi là không đối xứng với việc thay hai SCR bằng hai diod
Giá trị điện áp trung bình trong chỉnh lưu không đối xứng cũng như trường hợp đối xứng đối (3.6)
Tuy nhiên mạch điều khiển đơn giản, dễ sử dụng và giá thành hạ
Hình 3.4: Mạch chỉnh lưu cầu không đối xứng
Bộ chỉnh lưu ba pha
3.2.1 Chỉnh lưu ba pha khôngđiều khiển
3.2.1.1 Chỉnh lưu ba pha hình tia
Hình H2.4: Mạch chỉnh lưu hình tia và dạng sóng điện áp
Dưới đây là sơ đồ bộ chỉnh lưu được biểu diễn tại hình H2.4a, giả sử nguồn ba pha lý tưởng và đối xứng theo biểu thức (2.4) Tải một chiều bao gồm resistors R, inductors L và một sức điện động E mắc nối tiếp, như trong mạch động cơ điện một chiều Các điện áp pha uₐ(t), u_b(t), u_c(t) được xác định theo các hàm sin với cùng biên độ Uₘ, góc lệch pha 120°, cụ thể: uₐ(t) = Uₘ sin(ωt), u_b(t) = Uₘ sin(ωt - 120°), và u_c(t) = Uₘ sin(ωt - 240°), giúp mô tả chính xác hoạt động của bộ chỉnh lưu ba pha.
Trong nguyên tắc dẫn điện của các diode, diode nào mắc vào nguồn áp xoay chiều có giá trị tức thời lớn nhất tại một thời điểm nhất định sẽ dẫn điện, trong khi các diode còn lại không dẫn Điều này giúp xác định rõ khả năng dẫn điện của từng diode dựa trên các giá trị áp suất tức thời trong mạch xoay chiều.
: D1 dẫn, D2 và D3 ngắt, dòng điện dẫn qua mạch (u a , D1, R, L, E); điện áp chỉnh lưu U d = u a
2 : D2 dẫn, D1 và D3 ngắt, dòng điện dẫn qua mạch (u b , D2, R, L, E); điện áp chỉnh lưu U d = u b
6 : D3 dẫn, D1 và D2 ngắt, dòng điện dẫn qua mạch (u c , D3, R, L, E); điện áp chỉnh lưu U d = u c
Hệ quả: Điện áp chỉnh lưu có ba xung, chu kỳ áp chỉnh lưu T p 1
3 T , với T là chu kỳ của điện áp nguồn.
Dòng tải liên tục, trị trung bình của áp chỉnh lưu:
Với U là giá trị hiệu dụng của điện áp pha
Trị trung bình dòng điện qua tải ở trạng thái xác lập:
Mỗi diode dẫn điện trong khoảng thời gian 1 chu kỳ của điện áp nguồn Do đó,
3 trị trung bình dòng điện qua diode:
I I d (2.5c) lk 3 Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode bằng biên độ của điện áp dây:
Trong ví dụ 2.4, ta xét bộ chỉnh lưu tia ba pha như hình H3.4a với nguồn ba pha có điện áp dây U_d = 380V, trở R = 5Ω, cảm kháng L = 120mH, và điện áp E = 100V Nhiệm vụ của chúng ta là xác định trị trung bình của áp chỉnh lưu, dòng điện tải ở trạng thái xác lập, và dòng điện trung bình qua các linh kiện của hệ thống Các bước phân tích bao gồm tính toán điện áp trung bình, dòng điện trung bình trong tải và dòng điện qua các linh kiện nhằm đánh giá hiệu suất hoạt động của bộ chỉnh lưu tia ba pha trong điều kiện thực tế.
Trị trung bình của áp chỉnh lưu: U d 3 6 U 3 6 220 257, 4V
Dòng điện tải ở xác lập: I d
Dòng điện trung bình qua linh kiện: I lk I d 31, 5 10,5A
3.2.1.2 Chỉnh lưu ba pha hình cầu
Mạch chỉnh lưu cầu ba pha sử dụng 6 diode được mắc thành hai nhóm linh kiện, gồm nhóm linh kiện lẻ ở trên và nhóm linh kiện chẵn ở dưới, như minh họa trong hình H2.5a Nhóm linh kiện ở trên được gọi là nhóm linh kiện lẻ, trong khi nhóm linh kiện ở dưới gọi là nhóm linh kiện chẵn, giúp dễ dàng phân biệt và lắp đặt trong hệ thống chỉnh lưu ba pha.
Qui luật dẫn điện của các linh kiện cho thấy rằng, trong nhóm linh kiện trên, linh kiện mắc vào nguồn có điện áp lớn nhất sẽ dẫn điện, còn các linh kiện còn lại sẽ không dẫn Ngược lại, đối với nhóm linh kiện dưới, linh kiện mắc vào nguồn có điện áp nhỏ nhất sẽ dẫn điện, còn các linh kiện khác thì không Điều này giúp xác định chính xác linh kiện nào sẽ dẫn điện dựa trên giá trị điện áp tức thời trong mạch, hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế và vận hành hệ thống điện tử.
Dựa trên quy tắc đóng ngắt của các linh kiện, có thể vẽ dạng sóng điện áp ngõ ra như hình H2.5b Các khoản dẫn của linh kiện (θ1, θ2, , θ6) hoạt động theo chu kỳ lặp lại, trong đó mỗi khoản dẫn gồm một linh kiện ở nhóm trên và một linh kiện ở nhóm dưới dẫn, như đã trình bày trong chú thích của hình H23.5b.
Giá trị của các khoản dẫn như sau:
2 (hay 30 0 ≤ 1 90 0 ): diode D1 và D6 dẫn (sơ đồ tương đương như trên hình H2.6), dòng điện chạy qua mạch (u a , D1, R, L, E, D6, u b ) Điện áp chỉnh lưu U d = u a – u b = u ab
Tương tự, ta có thể phân tích quá trình dẫn điện của các linh kiện trong các khoảng dẫn còn lại (2.6)
Dựa trên phân tích trên, ta nhận thấy điện áp chỉnh lưu chính là điện áp liên tục trong các khoảng thời gian dẫn điện của các linh kiện, như đã trình bày trong hình H2.5b.
Hình H2.5: Mạch chỉnh lưu cầu và dạng sóng điện áp ở ngõ ra
Hình 2.6: Sơ đồ tương đương khi D1 và D6 dẫn
Hệ quả: Điện áp chỉnh lưu có sáu xung, chu kỳ áp chỉnh lưu T p 1
6 T , với T là chu kỳ của điện áp nguồn
Dòng tải liên tục, trị trung bình của áp chỉnh lưu:
Với U là giá trị hiệu dụng của điện áp pha
Trị trung bình dòng điện qua tải ở trạng thái xác lập:
Mỗi diode dẫn điện trong khoảng thời gian 1 chu kỳ của điện áp nguồn Do đó,
3 trị trung bình dòng điện qua diode:
3 d Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode bằng biên độ của điện áp dây:
Trong ví dụ 2.5, ta xem xét mạch chỉnh lưu cầu ba pha với nguồn ba pha có trị hiệu dụng điện áp dây U_d = 220V và điện trở tải R = 10Ω Với L có giá trị rất lớn để đảm bảo dòng tải liên tục và E = 0, ta cần xác định trị trung bình của điện áp chỉnh lưu, dòng điện tải ở trạng thái ổn định, công suất tiêu thụ của tải và điện áp ngược lớn nhất đặt lên các linh kiện Quá trình tính toán giúp tối ưu hiệu năng hệ thống, đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của mạch chỉnh lưu ba pha.
Trị trung bình áp chỉnh lưu: U d 3 6 U 3 6 127 297, 2V
Dòng điện tải ở xác lập: I d U d E 297, 2 29,72A
Công suất tiêu thụ của tải: P t U d I d 297, 2.29,72 8832,8W Điện áp ngược lớn nhất đặt lên linh kiện: U N 6 U 6.127 311V
3.2.2 Chỉnh lưu ba pha có điều khiển
3.2.2.1 Chỉnh lưu ba pha hình tia có điều khiển
Ta xét tải của bộ chỉnh lưu là tải thuần trở (hình H3.5a) và tải R-L-E (hình H3.5b)
Hình H3.5: Sơ đồ chình lưu tia ba pha
Giả sử dòng tải liên tục Do đó, tại mỗi thời điểm, dòng điện tải sẽ kép kin qua một nhánh chứa nguồn và SCR dẫn điện
Do tính chất đối xứng của nguồn, các SCR sẽ được kích, đóng đối xứng theo trật tự T1, T2, T3, T1, …, đảm bảo hoạt động ổn định của mạch chỉnh lưu Giản đồ xung kích và dạng sóng điện áp, dòng điện của mạch chỉnh lưu thể hiện rõ quá trình chuyển đổi năng lượng, như minh họa trong hình H3.11 Khi linh kiện SCR dẫn điện, điện áp ngõ ra của bộ chỉnh lưu sẽ bằng chính điện áp của nguồn phù hợp với linh kiện đang dẫn, đảm bảo hiệu quả và chính xác trong quá trình chỉnh lưu.
Khi T1 dẫn, dòng điện tải khép kín qua mạch (u a, T1, RLE), T2 và T3 ngắt Quy tắc dẫn của các linh kiện được xác định dựa trên điện áp pha lớn nhất, tức là linh kiện nằm trên pha có điện áp cao nhất sẽ dẫn điện nếu có xung kích Điều này giúp dễ dàng xác định trạng thái hoạt động của các linh kiện trong mạch và đảm bảo hiệu quả vận hành của hệ thống điện.
Hình H3.6: Giản đồ xung kích và dạng sóng ngõ ra của bộ chỉnh lưu
Dòng tải liên tục ảnh hưởng đến điện áp tải, vốn phụ thuộc chủ yếu vào điện áp nguồn và góc điều khiển , giúp duy trì hiệu quả trong hệ thống Trong quá trình hoạt động, điện áp tải luôn có ba xung trong mỗi chu kỳ của điện áp nguồn, với chu kỳ điện áp tải T p bằng chu kỳ của nguồn điện T Việc kiểm soát góc điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh điện áp tải, đảm bảo hoạt động ổn định và tối ưu cho các hệ thống điện công nghiệp.
3 (với T là chu kỳ điện áp nguồn)
Trị trung bình điện áp chỉnh lưu:
Khi mạch ở chế độ xác lập, dòng điện qua tải:
Phạm vi góc điều khiển: do điện áp khóa trên phạm vi góc điều khiển là (0,) Từ đó, điện nằm trong khoảng :
SCR chỉ tồn tại trong khoảng 0