điện tử công suất phần chỉnh lưu

Theo loại ngắt điện: Toμn diode lμ chỉnh lưu không điều khiển Toμn thrysistor lμ chỉnh lưu điều khiển Một nửa chỉnh lưu, một nửa diode lμ chỉnh lưubán điều khiển chỉnh lưu điều khiển khô

Chư¬ng 4 ChØnh lưu

Néi dung

1 Kh¸i qu¸t

2 ChØnh lưu nöa chu k×

3 ChØnh lưu c¶ chu l× víi biÕn ¸p trung

tÝnh

4 ChØnh lưu cÇu mét pha

5 ChØnh lưu tia ba pha

6 ChØnh lưu cÇu ba pha

7 ChØnh lưu tia s¸u pha

8 N©ng cao chÊt lưîng dßng chØnh lưu

9 Läc mét chiÒu

4.1 Kh¸i qu¸t chØnh lưu

4.1.1 Cấu trúc, định nghĩa

Định nghĩa: Chỉnh lưu lμ thiết bị biến đổi

dòng điện (điện áp) xoay chiều thμnh dòng

điện một chiều

Cấu trúc chỉnh lưu như hình vẽ

U1, P1 U2, P2 U=, P=

4.1.2 Phân loại

Theo số pha: một pha, hai pha, ba pha, sáu

pha

Theo loại ngắt điện:

Toμn diode lμ chỉnh lưu không điều khiển

Toμn thrysistor lμ chỉnh lưu điều khiển

Một nửa chỉnh lưu, một nửa diode lμ chỉnh lưubán điều khiển (chỉnh lưu điều khiển không đốixứng)

Phân loại theo sơ đồ mắc

Phân loại theo công suất

3 Dßng ®iÖn ch¹y qua ng¾t ®iÖn: I ND = I d /m

4 §iÖn ¸p ng−îc cña ng¾t ®iÖn: U N = U max

U

0

1

U

k 2

S S

Điện áp anode của diode

nμo dương hơn diode ấy

dẫn Khi đó điện thế điểm A

a)

b)

Nhóm ngắt điện nối

chung anode

Nguyên tắc diode dẫn:

Điện áp cathode ngắt điện

nμo âm hơn diode ấy dẫn

Khi đó điện thế điểm K

-a)

b)

4.2 Chỉnh lưu một nửa chu kì

4.2.1 Chỉnh lưu không điều khiển

Sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kì không điều khiển trên hình vẽ

Xét trường hợp tải thuần trở

Các thông số của sơ đồ

Điện áp tải

Dòng điện tải: Id = Udc/Rd

Dòng điện chạy qua diode: ID = Id

Điện áp ngược của ngắt điện:

Công suất biến áp:

2 2

0

2 2

1

U , U

t d t sin U

π

= ω

ω π

= ∫π

2 2U

UN =

d d BA

Xét trường hợp tải điện cảm

Do có tích luỹ vμ xả năng lượng của cuộn dây, do đó dòng

điện vμ điện áp có dạng như hình vẽ

Các thông số của sơ đồ

Điện áp tải

Điện áp ngược của ngắt điện:

Công suất biến áp:

2

cos 1

U 45 , 0 t d sin U

2 2

1

0

2 d

ϕ +

= ω

ω π

= ∫+ϕ

2 2U

UN =

d d BA

eL =-L.(di/dt)

4.2.2 ChØnh lưu mét nöa chu k× cã ®iÒu

d t sin U

2 2

F

b XÐt tr−êng hîp t¶i ®iÖn c¶m

§iÖn ¸p t¶i ®−îc tÝnh

2

cos

cos U

45 , 0 t

d t sin U

2 2

c T¶i ®iÖn c¶m cã diode x¶ n¨ng

t1 π

E

F

A

4.3 Chỉnh lưu cả chu kì với biến áp

có trung tính

Chỉnh lưu không điều khiển

Chỉnh lưu có điều khiển

Chế độ trùng dẫn (chuyển mạch)

4.3.1 Chỉnh lưu không điều khiển

Sơ đồ chỉnh lưu cả chu kì

với biến áp có trung tính.

D2R

Thông số của sơ đồ

Điện áp, dòng điện chỉnh lưu vμ ngắt

điện

d d d

d

BA 2 BA

1 BA

2 ND

d Dhd

d Dtb

d

d d

2 2

0

2 dtb

I U 48 , 1 I

U 2

74 , 1 23 ,

1 2

S

S S

U 2 2 U

2

I I

; 2

I I

R

U I

U 9 , 0 U

2

2 t

d t sin U

2 2

1 2 U

= ω

ω π

= ∫π

4.3.2 ChØnh lưu cã ®iÒu khiÓn

22

.9,0t

d.tsinU

22

4.3.3 Chỉnh lưu có diode xả năng

lượng Sơ đồ vμ các đường cong

B

F

F

4.4 Chỉnh lưu cầu một pha

Chỉnh lưu không điều khiển

Chỉnh lưu điều khiển đối xứng

Chỉnh lưu điều khiển không đối xứng

4.4.1 Chỉnh lưu không điều

_

Thông số của sơ đồ

• Điện áp và dòng điện tải có hình dạng giống như chỉnh lưu cả chu kì với BATT,

do đó thông số giống như trường hợp trên

2 0

ω π

2

4.4.2 Chỉnh lưu cầu điều khiển đối xứng Sơ đồ, các đường cong

Đặc điểm điều khiển đồng thời hai ngắt điện

Sơ đồ điều khiển đồng thời hai thrysistor

Mạch

điều khiển

4.4.3 Chỉnh lưu điều khiển không đối xứng

a Đặc điểm điều khiển

Khắc phục nhược điểm về điều khiển đồng thời hai thrysistor

Tại mỗi thời điểm chỉ mở một thrysistor

B A

D1

N A

B A

L=∞

L=∞

π

0

IL=0

IL <>0

4.4.4 NhËn xÐt

ChØnh lưu cÇu mét pha cã chÊt lưîng ®iÖn tư¬ng ®ư¬ng chØnh lưu c¶ chu k× víi BATT Tæng sôt ¸p trªn ng¾t ®iÖn lín nªn kh«ng chän khi ®iÖn ¸p t¶i thÊp

BiÕn ¸p dÔ chÕ t¹o h¬n

§iÒu khiÓn chØnh lưu cÇu mét pha

-C1 R5

R6 A3

+

Mạch điều khiển chỉnh lưu cầu một pha đối xứng

-C 1 R 5

R 6

A 3

+

-C 1 R 5

R 6

A 3

+

-D

+15V Uđk

+15V

4.5 ChØnh lưu tia ba pha

ChØnh lưu kh«ng ®iÒu khiÓn

ChØnh lưu cã ®iÒu khiÓn

HiÖn tư¬ng trïng dÉn

4.5.1 Chỉnh lưu không điều khiển

Sơ đồ vμ hoạt động của nó

Các thông số cơ bản của sơ đồ

a Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha không điều

b Chỉnh lưu không điều khiển Sơ đồ vμ các đường cong

a.

b.

t t t t t

D1

D2

D3A

R L

a.

0,5Umax

U 2

48 , 1 23 ,

1 2

S

S

S

U 17 , 1 / 45 , 2 U

45 , 2 U

3 2 U

; 3

I I

; 3

I I

; R

U

I

U 17 , 1

U 2

6

3 t

d t sin U

2 2

3 U

d d d

d

BA 2 BA

1 BA

d f

2 f

2 ND

d Dhd

d Dtb

d

d d

f 2 f

2

6 / 5

6 /

f 2 dtb

= ω

ω π

= π∫

π

4.5.2 Chỉnh lưu có điều khiển

Nguyên tắc điều khiển

Hoạt động của sơ đồ khi tải thuần trở

Hoạt động của sơ đồ khi tải điện cảm

Hoạt động của sơ đồ khi có diode xả

năng lượng

a Chỉnh lưu có điều khiển Sơ đồ

Ud

id

B C

T1

T2

T3A

R L

_

+ +

_

t t t t

t t t

b Nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn

c Hoạt động của sơ đồ khi tải thuần trở

17 , 1 t

d t sin U

2 2

3 U

cos U

17 , 1 t

d t sin U

2 2

3 U

f 2 6

f 2 dtb

f 2 6

5

6

f 2 dtb

ω π

=

α

= ω

ω π

α + π

α + π

d Hoạt động của sơ đồ khi tải điện cảm

I3

t

Thông số của sơ đồ

Điện áp chỉnh lưu

α

= ω

ω π

= ∫

α + π

α + π

cos U

17 , 1 t

d t sin U

2 2

3

6 5

6

f 2 dtb

e Hoạt động của sơ đồ khi có diode xả năng

17 , 1 t

d t sin U

2 2

3

6

f 2 dtb

ω π

= ∫π

α + π

4.5.3 Hiện t−ợng trùng dẫn

Xét sơ đồ có tải điện cảm lớn để cho

dòng điện liên tục

T1

B T2

C T3 A

R L=∞

a.

E F

t

t t t

R L=∞

sin m

sin U

2 U

U

m

2 t sin U

U , t sin U

U

i R

2 dt

di L

2 U

U

0 m

2 C

A

m 2 C

m 2 A

BA BA

C A

m

sin U

I

X cos

cos

m 2

d

BA

π

= γ + α

− α

Trïng dÉn ë gãc lín h¬n

HiÖn t−îng

I1

Idα=60 0

Dạng điện áp trong vùng trùng dẫn

Giả sử có sự trùng dẫn hai pha A vμ C khi đó,

phương trình điện áp viết cho pha A vμ C:

R L=∞

a.

iA

iCA

T3

Gi¸ trÞ ®iÖn ¸p chØnh lưu khi cã xÐt trïng dÉn

m 2

I.

X U

t

d 2

U

U U

2

m t

d U

U 2

m U

m 2

I.

X cos

U U

cos U

U

d BA

0

A

C A

0

dN A

d

BA 0

d 0

d d

π

= Δ

= ω

ư π

=

Δ

π

ư α

= Δ

ư α

=

γ

γ γ

γ

γ α

∫

∫

Mét sè nhËn xÐt

ChÊt lưîng dßng ®iÖn mét chiÒu ë chØnh lưu tia ba pha tèt h¬n c¸c lo¹i chØnh lưu mét pha

Dßng ®iÖn ch¹y qua ng¾t ®iÖn nhá h¬n, ph¸t nhiÖt Ýt h¬n

BiÕn ¸p ®ưîc chÕ t¹o lμ lo¹i ba pha ba trô

4.6 Chỉnh lưu cầu ba pha

Chỉnh lưu không điều khiển

Chỉnh lưu điều khiển đối xứng

Chỉnh lưu điều khiển không đối

xứng

4.6.1 ChØnh lưu kh«ng ®iÒu khiÓn

+ -

b Hoạt động của sơ đồ

θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ6 θ7

Ud

Uf0

ϕE

ϕF

13,4 %

U 34 2 / 45 , 2 U

45 , 2 U

3 2 U

; 3

I I

; 3

I I

; R

U

I

U 17 , 1 2

U 2

6 3

2 t

d t sin U

2

3 2

6 U

d d BA

d f

2 f

2 ND

d Dhd

d Dtb

d

d d

f 2 f

2

6 / 4

3 /

f 2 dtb

= ω

ω π

= π∫

π

4.6.2 CHỉnh lưu điều khiển đối

Ba cách cấp xung điều khiển

Cấp hai xung điều khiển dúng thứ tự pha, haixung điều khiển không đúng thứ tự pha, baxung điều khiển như bảng dưới

§óng thø tù pha Ng−îc thø tù pha 3 xung ®iÒu khiÓn

b §Æc ®iÓm ®iÒu khiÓn

§æi thø tù dÉn cña c¸c thrysistor

VÝ dô cho c¸c tr−êng hîp gãc më lín h¬n

Điều khiển không đúng thứ tự pha

4.6.3 Chỉnh lưu điều khiển không đối

L R

Hoạt động

1

L R

t t

Id

α=30

0

a.

t t

Id

α=90

0

4.7 Chỉnh lưu tia sáu pha

Sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển

Chỉnh lưu có điều khiển

4.7.1 ChØnh lưu kh«ng ®iÒu khiÓn

F

b Thông số của sơ đồ

Điện áp, dòng điện chỉnh lưu vμ ngắt

điện

6 m

I U 26 , 1 S

U 2 2 U

; 6

I I

; 6

I I

; R

U I

U 35 , 1 t

d t sin U

2 2

6 U

d d BA

f 2 ND

d Dhd

d Dtb

d

d d

f 2

3 /

6 /

f 2 dtb

ω π

= π∫

π

4.7.2 ChØnh lưu cã ®iÒu khiÓn

4.8 ChØnh lưu chÊt lưîng cao

Sơ đồ tương đương CL - BA

L R

ChØnh lưu cÇu ba pha

4.9 Thiết kế mạch điều khiển

4.9.1 Mạch điều khiển thrysistor đơn giản

d)

UUJT

π

t1

Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng.

a Nguyên lí điều khiển.

t

b Sơ đồ khối mạch điều khiển.

Sơ đồ khối.

Đồng pha So sánh Tạo xung

Sơ đồ khối mạch điều khiển

Uđk

Chức năng của các khâu Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc

(thường gặp lμ điện áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anode của thrysistor.

Khâu so sánh nhận tín hiệu điện áp răng cưa vμ điện áp

điều khiển, có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với

điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp nμy bằng nhau (Uđk = Urc) Tại thời điểm hai điện áp bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại

Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở

thrysistor Xung để mở thrysistor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo yêu cầu thrysistor mở tức thời khi có xung điều khiển (thường gặp loại xung nμy lμ xung kim hoặc xung chữ nhật); đủ độ rộng (với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của thrysistor); đủ công suất; cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nếu

điện áp động lực quá lớn).

§ång pha dïng tranzitor vμ tô

UA

URC

c.

t U

UraC

GHEP QUANG

Đồng pha dùng khuếch đại tuyến tính

B

Khâu khuếch đại

R

Uv

Tr

BAX +E

Khâu so sánh với khuếch đại mắc darlington

4.9.2 ThiÕt kÕ m¹ch ®iÒu khiÓn b»ng m¹ch sè.

Nguyªn lÝ ®iÒu khiÓn

n.X®h

t

t

t t

Sơ đồ khối mạch điều khiển bằng mạch số

Sơ đồ ví dụ một mạch điều khiển

-C1

R 5

R4

A3- + D

+15V

C

2 R6

D 2

T3 T2

+ A6-

Uv U

R 2

A 1

+ - B

-C 1 R 5

A - +

AND

+15V

Uđk

t t

t

Giản đồ các đường cong mạch điều khiển.

U A

t

UC

Ví dụ điều khiển chỉnh lưu hai nửa chu kì

Sơ đồ mạch điều khiển chỉnh lưu một pha cả chu

-C1 R5

R6 A3

+

2

T r

2

T r

3

T r

3

C2

C2

Đặc điểm điều khiển chỉnh lưu tia ba pha

Sự khác nhau giữa mạch điều khiển chỉnh lưu một pha với mạch chỉnh lưu ba pha chỉ ở điện áp đồng pha đưa vμo Góc thông tự nhiên của mạch chỉnh lưu ba pha dịch

thrysistor trước thời điểm góc thông tự nhiên nμy thrysistor không dẫn, vì thrysistor pha trước đó đang dẫn, điện áp đang còn dương hơn) Do đó, điện áp tựa lμm nền đưa vμo để mở thrysistor cũng cần dịch pha

Khi đó điện áp thứ cấp mỗi pha biến áp trùng pha với

điện áp dây (điện áp dây dịch pha so với điện áp pha

Góc thông tự nhiên

U

t t

Xác định góc thông tự nhiên vμ khoảng dẫn của thrysistor trong

chỉnh lưu ba pha.

t t t t t

Cấp xung điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha

đối xứng bằng chùm xung điều khiển

Sơ đồ ví dụ mạch điều khiển số

N4

N7

N6

N5B

M N

Uđ

f

D1 D2

R6 R715V

6 10 11

4

3,5,1 4

4 10 9

5 6

14

3 621

8 4

P

N3

6 5 4

Giản đồ đường cong

t

t t t t t t t t t t t t t t

Điện áp hìn sin UA từ lưới điện cung cấp cho bộ chỉnh lưu, đồng thời cung cấp cho mạch điều khiển qua biến

áp, đưa tới đầu vμo của vi mạch so sánh (N1), đầu ra UB của N1 đưa tới cổng không đồng trị 4070 (N2), nhằm tạo

điện áp UC một dấu Phần tử NOR (N3) cùng với cổng không đồng trị N4 tạo ra tín hiệu UF đưa vμo chân 11 của vi mạch 4020 lμm tín hiệu RESET ở đầu mỗi nửa chu kỳ của sóng điện áp lưới của mỗi pha

Điện áp điều khiển (Uđk) được đưa vμo chân 9 của vi mạch 4046 để tạo ra tín hiệu dao động UK với tần số cao ở chân 4, vi mạch 4046 lμm việc ở chế độ VCO, tần

số xung fx của điện áp đầu ra (UK) được điều khiển bằng

điện áp VCO (Uđk) Như vậy tuỳ vμo sự thay đổi điện áp Uđk mμ tần số fx của tín hiệu đầu ra UK cũng thay đổi theo Điện trở nối vμo chân 11 (R5, VR2) vμ tụ C3 nối giữa chân 6 vμ chân 7 quyết định dải tần số của tín hiệu

UK, điện trở ở chân 11 từ 10KΩữ1MΩ, tụ C3 có giá trị từ 50›F trở lên

Tín hiệu ra UK từ chân 4 của 4046 được đưa vμochân 10 (chân cp) của bộ đếm 4020 thông qua cổng NOR (N7) để lμm tín hiệu đếm (UH)

Khi bắt đầu chu kì điện áp, có tín hiệu RESET

UF (tích cực ở mức cao) đưa tới chân 11 của bộ

đếm sẽ xoá tất cả các trạng thái trước đó củacác đầu ra về mức logic 0 vì thế chân 14 của

4020 (UG) cũng ở mức logic 0 Tín hiệu nμy UG

được đưa tới phần tử NOR (N7) chờ sẵn Khi tínhiệu vμo thứ hai UK của phần tử NOR (N7) từchân 4 của 4046 ở mức logic thấp thì điện áp ra

UH của phần tử NOR (N7) ở mức cao, khi tínhiệu UK ở mức cao thì điện áp UH ở mức thấp Như vậy qua phần tử NOR (N7) chùm xung từ

đầu ra 4 của 4046 bị dịch pha đi một nửa chu kì xung Chùm xung nμy được đưa vμo chân 10 của bộ đếm, bộ đếm sẽ tiến hμnh đếm

Đầu ra của bộ đếm đ−ợc lấy ở chân 14 (O9) Vì vậy, khi bộ đếm đếm đ−ợc 29 =512 xung thì chân 14 (UG) của bộ đếm sẽ chuyển từ mứclogic 0 lên mức logic 1, tín hiệu UG có mức logic cao nμy đ−a lại chân 6 của phần tử NOR (N7), cho tín hiệu ra UH của N7 mức 0 khoá xung đ−a vμo bộ đếm 4020 Nh− vậy bộ đếm không nhận

đ−ợc xung đếm sẽ ngừng đếm vμ giữ mức logic

1 của UG tại đầu ra 14 UG đ−ợc giữ ở mứclogic cao cho đến khi có một tín hiệu RESET UF tiếp theo đ−ợc đ−a tới chân 11 của bộ đếm (bởivì phần tử N7 đã khoá xung đầu vμo của bộ đếmnên bộ đếm không thể tự động quay lại đếm khikhông có tín hiệu rừ chân RESET, chỉ khi nμo cótín hiệu RESET UF, đầu ra UG của bộ đếm mớichuyển về mức thấp vμ bộ đếm mới bắt đầu đếmlại từ đầu) `

Nh− vậy, thời điểm mở thrysistor đ−ợc xác định khi đâù

ra UG tại chân 14 của bộ đếm 4020 chuyển mức logic từ

0 lên 1 Thời gian để bộ đếm 4020 đếm đ−ợc 29 để UG chuyển từ mức 0 lên mức 1 phụ thuộc vμo tần sồ xung

đầu vμo, khi tần sồ xung cμng lớn thì khoảng thời gian

đếm cμng nhỏ, nghĩa lμ góc mở α cũng nhỏ Vμ ng−ợc lại nếu tần số xung vμo cμng nhỏ thì khoảng thời gian