BÀI GIẢNG TRANG BỊ ĐIỆN ĐẦY ĐỦ

Ngày nay trong các lĩnh vực sản xuất của nền kinh tế quốc dân, cơ khí hóa có liên quan chặt chẽ đến điện khí hóa và tự động hóa. Hai yếu tố cho phép đơn giản kết cấu cơ khí của máy sản xuất, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng kỹ thuật của quá trình sản xuất và giảm nhẹ cường độ lao động.Việc tăng năng suất máy và giảm giá thành thiết bị điện của máy là hai yêu cầu chủ yếu đối với hệ thống truyền động điện và tự động hóa nhưng chúng mâu thuẫn nhau. Một bên đòi hỏi các hệ thống phức tạp, một bên lại yêu cầu hạn chế thiết bị chung trên máy và số thiết bị cao cấp. Việc lựa chọn hệ thống truyền động điện và tự động hoá thích hợp cho máy là một bài toán khó.Sách “Trang bị điện ” đề cập đến phần điện điện tử của các máy gia công cắt gọt kim loại và các máy công nghiệp dung chung. Máy gia công cắt gọt kim loại là những loại máy chủ yếu và quan trọng trong công nghiệp nặng của nền kinh tế quốc dân với 2 loại máy: máy cắt kim loại và máy gia công kim loại bằng áp lực. Máy công nghiệp dung chung đề cập đến phần trang bị điện – điện tử các máy nâng – vận chuyển, lò điện, máy hàn.

Chơng ICác phần tử bán dẫn công suất

1.1 điốt công suất

Silic là nguyên tố hoá học thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn, là thành phầncấu tạo chủ yếu trong một điốt công suất Silic có 4 điện tử thuộc lớp ngoài của cấutrúc nguyên tử, nếu thêm vào một nguyên tố thuộc nhóm V mà lớp ngoài có 5 điện

tử thì 4 điện tử tham gia vào liên kết với 4 điện tử tự do của Silic và làm xuất hiệnmột điện tử tự do Trong cấu trúc tinh thể các điện tử tự do làm tăng tính dẫn điện vàvì điện tử có điện tích âm nên chất này gọi là bán dẫn loại n (negative - âm)

Nếu thêm vào Silic một nguyên tố thuộc nhóm III có 3 điện tử thuộc lớp ngoàithì xuất hiện một lỗ trống trong cấu trúc tinh thể Lỗ hổng này có thể nhận một điện

tử và tạo nên một điện tích dơng và làm tăng tính dẫn điện Chất đó đợc gọi là bándẫn loại p (positive – dơng)

Nồng độ của các nguyên tố sung vào khoảng một phần 107 nguyên tử Trongbán dẫn loại n, điện tử là hạt mang điện đa số, còn lỗ hổng là thiểu số, với bán dẫnloại p thì ngợc lại Tuỳ theo nồng độ của các nguyên tố bổ sung vào mà tính dẫn

điện của chất bán dẫn loại n và loại p cao hơn hẳn tính dẫn điện của silic nguyênchất

Hình 1.1 Điốt a) Cấu tạo; b) Ký hiệu

Điốt trình bầy trên hình 1.1 tạo nên một lớp chuyển tiếp pn Các điện tử tự dotrong bán dẫn n sẽ liên kết với lỗ tự do của bán dẫn p, do đó phía n sẽ mang điệntích dơng và phía p có điện tích âm Lớp chuyển tiếp p - n có hàng rào điện thế vàokhoảng 0,6V, có chiều nh hình vẽ

Hình 1.2 trình bày đặc tính vôn-ampe của một điốt Nếu đặt vào p (anốt) một

điện áp dơng so với n (catốt) sẽ có dòng điện chạy qua và tạo nên một điện áp rơikhoảng 0,7V khi dòng điện định mức Nếu điện áp ngợc lại, các điện tử tự do và các

lỗ hổng bị đẩy xa lớp chuyển tiếp , kết quả chỉ có dòng điện rò vào khoảng vài mA

có thể chạy qua Khi tăng tiếp tục điện áp ngợc , các điện tích đợc gia tốc, gây nên

va chạm gia chuyền làm hàng rào điện thế bị chọc thủng Kết quả, điốt mất tính chấtdẫn điện theo một chiều khi điện áp vợt qua điện áp ngợc cực đại

Các thông số của các điốt thông dụng cho trong phụ lục 1.

biến thiên rất nhỏ của dòng

điện gốc dẫn đến sự biến thiên

Các đặc tính của tranzito pnp trên

hình 1.4 cũng có dạng tợng tự

Tổn hao công suất trong tranzito

bằng tích của điện áp góp – phát nhân với

dòng điện góp

Ví dụ trên hình 1.6 nếu ta biến đổi

dòng điện gốc để điều khiển dòng điện qua

tải đặt ở cực góp thì có thể xuất hiện các

điện áp cao ở các cực của tranzito Ví dụ U

2

Hình 1.3 Tranzito npn a) Cấu tạo; b) Ký hiệu

Hình 1.2 Đặc tính V- A của điôt

A

Hình 1.4 Tranzito pnp a) Cấu tạo; b) Ký hiệu

= 200V, dòng điện gốc IB đợc điều chỉnh để tạo nên dòng điện 10 A qua tải 10 Ω,

điện áp rơi trên tranzito là 100V, nh

vậy tổn hao công suất của tranzito là 1kW và hiệu suất tổng cộng là 50%, hiệu suất

trạng thái có giá trị bão hoà, thì

tranzito trở về trạng thái đóng hoàn

toàn Tranzito là một linh kiện phụ

thuộc nên cần phải phối hợp dòng

điện gốc với dòng điện góp ở

trạng thái bão hoà để duy trì khả

năng điều khiển và để tránh điện

tích ở cực gốc quá lớn, dòng điện gốc ban đầu phải cao để chuyển sang trạng tháidẫn nhanh chóng ở chế độ khoá dòng điện gốc phải giảm cùng quy luật nh dòng

điện góp để tránh hiện tợng chọc thủng thứ cấp

Hình 1.5 Đặc tính của tranzitor

Hình 1.6 Tải đ ợc điều khiển bằng tranzitor

Để giảm dòng điện góp ở trạng thái khoá ngời ta duy trì một điện ápngợc với giá trị nhỏ ở cực gốc nh một khoá chuyển mạch, tổn hao trong công suấttranzito là nhỏ Tổn hao đó tính ra do dòng rò nhỏ ở trạng thái mở, do điện áp bãohoà (trong hình 1.5) và dòng góp ở trong trạng thái đóng Điện áp bão hoà thông th-

ơng của tranzito công suất silic khoảng 1,1V Để sử dụng triệt để tranzito mà không

bị quá tải trong khi chuyển mạch cần đảm bảo có điện tích an toàn vẽ trên hình 1.7b.Trong lúc chuyển mậch giữa hai trạng thái trình bầy trên hình 1.7 a điện áp và dòng

điện tức thời phải nằm trong vòng biểu diễn trên hình 1.7b Chỉ trong khoảng thờigian chuyển mạch rất ngắn có giới hạn hình chữ nhật Tổn hao công suất tức thời cóthể chấp nhận đợc làm hạn chế thời gian chuyển mạch, điều đó dẫn tới làm thay đổivòng ngoài của điện tích an toàn Lu ý là hình 1.7 vẽ theo thang lôgarit

Các tổn hao chuyển mạch của tranzito có thể lớn Trong lúc chuyển mạch, điện

áp trên các cực và dòng điện của tranzito cũng lớn Tích của điện áp với dòng điện

và thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao năng lợng trong một lần chuyển mạch

4

Hình 1.7 Tranzitor chuyển mạch a) trạng thái dẫn và bị khoá; b) Diện tích an toàn ở chế độ xung

Công suất tổn hao chính xác do chuyển mạch là hàm số của các thông số của mạchphụ tải và dạng biến thiên của dòng điện gốc.

Với thời gian chuyển mạch vào khoảng 1 đến 2 às, tranzito chuyển mạchnhanh hơn tiristo Các điều kiện làm việc ở cực gốc của tranzito nặng nề hơn so vớicực điều khiển của tiristo Ví dụ nh với tiristo 30A xung điều khiển có thể khoảng0,1A, trong khi đó dòng điện gốc của tranzito 30A liên tục là 2A trong suốt thời gianchuyển mạch Khả năng chịu tải của tranzito rõ ràng là kém hơn tiristo Ngời ta cóthể khoá một tranzito đang dẫn bằng cách điều khiển dòng điện gốc trong khi đó cực

điều khiển của tiristo sẽ mất tác dụng điều khiển sau khi đã mồi

Ngời ta cải thiện hệ số khuếch đại dòng điện của tranzito công suất một cáchdáng kể bằng cách lấy dòng điện gốc từ một tranzito khác theo mạch Darlington Nếu tranzito hỗ trợ đợc chế tạo trên cùng một miếng silic, hệ số khuếch đại dòng

điện tổng vào khoảng 250, nhng thời gian chuyển mạch dài hơn

1.3 TIRISTO

Tiristo là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn

pnpn liên tiếp tạo nên anốt, catốt và cực điều

khiển (hình 1.8a)

Cấu tạo thờng gặp của tiristo cho trên

hình 1.8b, còn hình 1.8c là ký hiệu của tiristo

Về mặt cấu tạo tiristo gồm một đĩa silic

từ đơn tinh thể loại n, trên lớp đệm loại bán

dẫn p có cực điều khiển bằng dây nhôm, các

lớp chuyển tiếp đợc tạo nên bằng kỹ thuật bay

hơi của gali Lớp tiếp xúc giữa anốt và catốt

làm bằng đĩa môlipđen hay tungsten có hệ số

nóng chảy gần với silic Cấu tạo dạng đĩa kim

loại để dễ dàng tản nhiệt Hình 1.9 trình bày

mặt cắt của một tiristo Ngoài cùng là lớp vỏ

bọc có tác dụng chống các ứng suất cơ học, để dễ dàng tản nhiệt cũng nh để dễ nốivới mạch ngoài

Để giải thích sự làm việc của tiristo ta hãy xét chi tiết các lớp bán dẫn trongmột tiristo

Hình 1.10 trình bày chi tiết các lớp bán dẫn

đó

a)Lớp catốt là bán dẫn loại n rất mỏng và

mật độ điện tử rất cao, do đó nếu có dòng

điện thuận qua sẽ tạo nên nhiều điện tử ở

lớp điều khiển

Lớp catốt có dòng điện ngợc lớn nhng chỉ

chịu đợc điện áp ngợc thấp

Hình 1.8 Tiristo Cấu tạo; b) Cấu trúc thông th ờng; c) Ký hiệu

Hình 1 9 Mặt cắt của tiristo

b)Lớp điều khiển là bán dẫn loại p mỏng và có mật độ trung bình, do đó hầu hết các

điện tử từ lớp catốt có thể tới đợc lớp điều khiển

c)Lớp chắn là bán dẫn loại n là lớp dầy

nhất và có mật độ điện tử ít nhất, do đó

tiristo có dòng điện ngợc (dòng điện rò)

nhỏ và chịu đợc điện áp ngợc lớn

d)Lớp anốt là bán dẫn loại p, có chiều

dầy và mật độ trung bình Lớp sát vỏ anốt

có mật độ điện tích cao để giảm điện trở

thuận Lớp anốt có dòng điện ngợc bévà

chịu gần nh toàn bộ điện áp ngợc đặt lên

tiristo

Tiristo 300A, 200V có lớp silic đờng kính

30 mm dầy 0,7 mm

Để nghiên cứu sự làm việc của

tiristo ta xét riêng rẽ trong hai trờng hợp :

Hình 1.11 Tiristo phân cực ngợc.

a) Sơ đồ; b) Đặc tính vôn ampe

1) Tiristo phân cực ngợc (hình 1.11a): tiristo làm việc nh một điốt phân cực

ng-ợc và chỉ cho dòng điện rò khoảng vài mA chạy qua Giá trị điện áp ngng-ợc khoảng từ

100 đến 3000V tuỳ theo loại tiristo, dòng điện tăng đột ngột và tiristor bị chọc thủng(hình 1.11b)

2) Tiristo phân cực thuận : Điện áp giữa anốt và catốt là dơng Để giải thích sựlàm việc của các lớp bán dẫn pnpn trong một tiristo ta xem chúng nh gồm 2 tranzitoloại pnp và npn nối với nhau sao cho cực gốc của tranzito này đợc nối với cực gópcủa tranzito kia (hình 1.12a và b)

Tranzito đầu tiên loại pnp có cực phát e1, gốc b1, và gốc c1 Dòng điện cực góp

Ic1 = Ico + α1Iα

Trong đó Ico1 là dòng điện rò, α1 là hệ số khuếch đại dòng điện của tranzito T1

Tơng tự đối với tranzito T2 loại npn ta có:

Ic2 = Ico 2 + αIα, Ico 2 là dòng diện rò, α2 là hệ số khuếch đại dòng điện củatranzito T2

Dòng điện tổng chạy qua tranzito là:

u i

Dòng điện ng ợc Điện áp ng ợc

Hình 1.10 Chi tiết mặt cắt của tiristo

Để tăng IA,nghĩa là có sự khởi động hay còn gọi là để “mồi” tiristo cần chobiểu thức của mẫu số bằng không 1 – (α1 +α ) = 0.

Vậy khi phân cực thuận tiristo có hai trạng thái:

(α1 + α2) < 1 tiristo vẫn tiếp tục bị khoá, dòng điện IA bằng dòng điện rò Ico

(α1 + α2) = 1 tiristo khởi động, trở nên dẫn điện tơng tự nh điốt phân cực thuận.Một trong những tính chất của tranzito silic là có hệ số khuếch đại dòng điệntăng theo dòng điện cực phát Do đó có 2 khả năng “mồi” tiristo:

a)Bằng cách tăng điện áp thuận

Nếu tăng dần U thì điện áp trên các lớp chuyển tiếp tăng lên làm các điện tích thêmnăng lợng tạo nên hiện tợng va chạm dây chuyền, tiristo trở nên dẫn điện Trị số

điện áp UB tại đó tiristo đợc mồi gọi là điện áp mở (hình 1.13)

b) Bằng xung mồi vào cực điều khiển

Nếu dòng điện Ig có cực tính dơng so với catốt đặt vào cực điều khiển thì tiristo

sẽ đợc mồi với điện áp mở nhỏ hơn ( hình 1.14)

Bằng cách tăng dòng

điện điều khiển Ig các

điểm khởi động của tiristo

lùi về phía trái còn khi Ig

đạt tới một giá trị nào đó

thì tiristo đợc mồi ngay

trạng thái khoá nếu dòng

điện IA nhỏ hơn giá trị dòng điện duy trì IH và cần một khoảng thời gian tơng đối dài

để lớp điều khiển trở lại trạng

thái bị khoá trớc khi có thể

mồi lại Nói chính xác hơn để

khó tiristo mạch ngoài nhận

dòng điện anốt ngợc trong

khoảng thời gian ngắn, dòng

Trạng thái bị khoá

IHDòng điện duy trì

u i

Hình 1 13: Mồi tiristo bằng cách tăng điện áp thuận

Trạng thái bị khoá

Ig=0

Ig3 >Ig2 >Ig1

Trạng thái dẫn i

IH

điện ngợc (hình 1.15) tạo nên sự chuyển dịch điện tích tại lớp pn và cho phép hai lớpngoài khoá tất cả dòng điện ngợc phụ Cần khoảng thời gian từ 10 đến 100 às để cáchạt mang điện trong lớp điều khiển phối hợp trở lại, do đó có thể đặt điện áp thuận

- Điện áp điều khiển Ug (V)

- Dòng điện điều khiển Ig (mA)

- Tốc độ tăng dòng điện di/dt (A/ às)

- Tốc độ tăng điện áp dv/dt (V/ às)

- Dòng điện rò Ico (mA)

Tiristo chỉ làm việc ở một trong hai nửa chu kỳ của điện áp xoay chiều, do đónếu ta nối song song ngợc hai tiristo (hình 1.16) thì có thể giải quyết đợc sự làmviệc trong cả chu kỳ của dòng điện xoay chiều

Giải pháp tốt nhất cho vấn đề trên dẫn đến triac

Triac là linh kiện bán dẫn tơng tự nh hai tiristo nối song song ngợc, thực hiệntrên cùng một đơn tinh thể gồm hai cực và chỉ có một cực điều khiển

Hình 1.17a trình bầy các lớp bán dẫn và các cực trong một triac, hình 1.17b làhình vẽ cấu tạo, còn hình 1.17c là ký hiệu của triac

Khái niệm về anốt và catốt không có ý nghĩa với triac, ngời ta đánh số T1 làcực gần với cực điều khiển G

8

Hình 1.15 Biến thiên của dòng điện trong quá

trình khoá

Hình 1 16 Nối song song

Đặc tính vôn- ampe vẽ theo chiều quy ớc của cực T1 ở góc phần t thứ nhấthình 1.18 khi UT2 > UT1, còn góc phần t thứ ba thì ngợc lại Đặc tính vôn ampe là đốixứng Cũng nh ở tiristo, điện áp UBo

là giá trị điện áp mở đa triac từ

trạng thái bị khoá sang trạng thái

dẫn khi không có dòng điện điều

khiển, Ig = 0 Khi có dòng điện điều

khiển Ig, triac sẽ mở với điện áp đặt

vào nhỏ hơn Nên lu ý là triac tự bảo

vệ chống lại quá điện áp theo chiều

thuận hay ngợc, và khi triac đợc mở

với điện áp lớn hơn UB theo cả hai

chiều, triac tiếp tục dẫn tới nửa chu

kỳ, trong khoảng thời gian đó có

quá điện áp

Triac chỉ bị khoá khi Ig = 0 và

điện áp đặt vào nhỏ hơn ngỡng UB

và đợc mở theo chiều này hay chiều

khác (góc toạ độ I hay III) tuỳ theo

cực tính của dòng điện điều khiển Có 4 cách mở triac

ở góc phần t I:

Cách I+, dòng và áp cực điều khiển dơng

Cách I-, dòng và áp cực điều khiển âm

ở góc phần t III:

Cách III+, dòng và áp cực điều khiển dơng

Cách III-, dòng và áp cực điều khiển âm

Ưu điểm cơ bản của triac là mạch điều khiển đơn giản nhng công suất giới hạnnhỏ hơn công suất tiristo

Hình 1.18

Đặc tính vôn ampe của triac–

chơng II chỉnh lu dùng điôt và lọc2.1 Khái niệm chung

Chỉnh lu là biến đổi năng lợng điện xoay chiều thành năng lợng điện một chiều

Điện áp và dòng điện sau chỉnh lu có chiều không đổi nhng vẫn dao động vềtrị số Do đó để tải nhận đợc một điện áp hoặc dòng điện hoàn toàn không đổi cả vềchiều và trị số ngời ta phải dùng phần tử lọc

2.2 Mạch chỉnh lu một pha hai nửa chu kỳ

Mạch chỉnh lu này có thể thực hiện theo hai sơ đồ: sơ đồ dùng máy biến áp

có điểm giữa cuộn dây thứ cấp và sơ đồ chỉnh lu cầu một pha

2.2.1 Sơ đồ dùng máy biến áp có điểm giữa

Trong sơ đồ này điện áp thứ cấp của MBA nguồn đợc chia làm hai nửa bằngnhau nhng ngợc ph nhau

u21 = - u22 = Um sin ωt = Um sin θ

Trong đó Um là biên độ nửa điện áp thứ cấp

Đồ thị biến thiên của u1 và u2 nh hình 2.2

ở nửa chu kỳ thứ nhất (0 ≤θ≤π), u21 > 0, điôt D1 mở, điện áp trên D1 là uD1 =

0, điện áp đa ra tải ud = u21, còn điện áp trên D2 là uD2= u2 –ud = u22 – u21= -u21- u21

= -2u21< 0 nên D2 khoá ở nửa chu kỳ thứ hai ( π≤θ≤ 2π), u22 > 0, điôt D2 mở, điện

áp trên D1 là uD2 = 0, điện áp đa ra tải ud = u22, còn điện áp trên D1 là uD1= u21 –ud =

u21 – u22= -u22- u22 = -2u22< 0 nên D1 khoá

Nh vậy ở mỗi nửa chu kỳ chỉ có một điôt mở va đồ thị biến thiên của ud nhhình 2.2

Các thông số của sơ đồ chỉnh lu này bao gồm :

a) Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lu

22

2 2

0

222

1

U d

u

π

θπ

c) Hệ số nhấp nhô của điện áp chỉnh lu

42

min max

U

u u

Đặc biệt trong trờng hợp phụ tải là một động cơ điện một chiều có sức phản

điện E, điện trở R và điện cảm L ta có:

R

E U

Sơ đồ nguyên lý chỉnh lu cầu một pha nh hình 2.3

Trong sơ đồ này ngời ta dùng 2 nhóm điôt: nhóm catôt chung gồm 2 điôt D1

và D2 và nhóm anôt chung gồm 2 điôt D3 và D4

Điện áp thứ cấp của máy biến áp là: u2 = Um sin θ và có đồ thị nh hình 2.4

1

2

ở nửa chu kỳ thứ nhất (0 ≤θ ≤π), u21 > 0, điôt D1 và D3 mở, dòng điện đi từ

điểm 1 qua M qua phụ tải đến điểm N qua D3 đến điểm 2 Điện áp trên D1 và D3 là

uD1=uD3 = 0, điện áp đa ra tải ud = u2, còn điện áp trên D2 và D4 là uD2= uD4 =- u2< 0nên D2, D4 khoá ở nửa chu kỳ thứ hai ( π ≤θ≤ 2π), u2< 0, điôt D2 , D4 mở, điện áptrên D1,D3 là uD1, uD3 = 0, điện áp đa ra tải ud = - u2, còn điện áp trên D1, D3 là uD1=

uD3 = u2< 0 nên D1, D3 khoá

đồ thị biến thiên của ud nh hình 2.4

Các thông số của sơ đồ chỉnh lu này bao gồm:

a)Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lu

2 2

0

222

1

U d

u

π

θπ

min max

U

u u

Trong sơ đồ này nếu chọn

điện áp thứ cấp của pha 1 làm gốc

pha , ta có biểu thức điện áp pha thứ

cấp của máy biến áp là:u1 = Um sin θ

u3 = Um sin (θ + 120o)

và đồ thị biến thiên của chúng nh hình 2.6 Để chỉnh lu các điện áp này, ngời tadùng một nhóm điốt catốt chung gồm 3 điốt D1, D2, D3

ở đây theo quy tắc của nhóm điôt ca tôt chung, chỉ điôt nào nối với pha có

điện áp dơng nhất ở trạng thái mở Do đó trong khoảng (θ1 ≤ θ≤ θ2 ), u1 lớn nhất,chỉ D1 mở, dòng điện sẽ đi từ điểm 1 qua D1 đến M qua phụ tải đến điểm N và điểmtrung tính 0 ; điện áp đa ra tải Ud = u1 , điện áp trên D1 là uD1 = 0

Trong khoảng θ2≤θ≤θ 2 , u2 lớn nhất chỉ D2 mở , dòng điện đi từ điểm 2 qua

D2 đến M qua phụ tải đến điểm N và điểm trung tính O Điện áp đa ra tải ud = u2

Điện áp trên điốt D1 lúc đó là :

uD1 = u1 – ud = u1 – u2 < 0 và trị số tuyệt đối của nó bằng khoảng cách giữahai đờng cong u1 và u2

Trong khoảng θ3≤θ≤θ4 , u3 lớn nhất chỉ D3 mở Dòng điện đi từ điểm 3 qua

D3 đến điểm M qua phụ tải đến điểm N

Điện áp đa ra tải ud = u3

Nh vậy đồ thị biến thiên của ud có dạng nh đờng đậm nét , còn đồ thị biếnthiên của uD1 có dạng nh đờng đứt nét hình 2 6

Các thông số chính của sơ đồ chỉnh lu này bao gồm :

a) Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lu

2 2

1 2 2

63sin

22

32

1

U d

U d

u

πθθπ

θπ

θ θ

π

∫

= ( θ1=π/6; θ2=5π/6) ( 2.11) b) điện áp ngợc cực đại trên mỗi điốt U ngmax

Căn cứ vào đờng đứt nét hình 2.6 của điện áp uD1, ta có U ngmax = 6U2

c) Hệ số nhấp nhô của điện áp chỉnh lu:

do

d d

U

u u

K

2

min max

Đặc biệt trong trờng hợp phụ tải là một động cơ điện một chiều có sức phản

điện E, điện trở R và điện cảm lớn L Với điều kiện E<Udo ta có:

R

E U

I do d

−

=

e) Trị số trung bình của dòng điện qua mỗi điôt:

Vì mỗi điôt chỉ dẫn điện trong 1/3 chu kỳ nên: i0=Id/3

g) Giá trị hiệu dụng dòng điện pha thứ cấp I s

Dòng điện thứ cấp mỗi pha cũng chính là dòng điện qua điôt của pha đó Do

14

2.3.2 Sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha

Sơ đồ nguyên lý chỉnh lu cầu ba pha nh hình 2.7

Trong sơ đồ này nếu ta chọn điện áp thứ cấp u1 làm gốc pha, ta có:

u1 = Um sin θ

u2 = Um sin (θ - 120o)

u3 = Um sin (θ + 120o)

Trong đó: Um là biên độ của điện áp thứ cấp của một pha máy biến áp

Đồ thị biến thiên của các điện áp này nh hình 2.8

Đểchỉnh lu các điện áp này ngời ta dùng 2 nhóm điôt: nhóm điôt catôt chung gồm 3

điôt D1, D3 ,D5 và nhóm điôt anôt chung gồm 3 điôt D2, D4 ,D6

Trong khoảng θ1≤θ≤θ2, u1 dơng nhất và u2 âm nhất nên D6 , D1 mở

Trong khoảng θ2≤θ≤θ3, u1 dơng nhất và u3 âm nhất D2 , D1 mở

θ

Hình 2.8 Dạng sóng điện áp ra

BAC

Lập luận trong các khoảng tiếp theo Ta có kết quả trong bảng 2.1

Khoảng Điôt thông Chiều dòng điện Điện áp phụ tải

Các thông số chính của sơ đồ chỉnh lu này bao gồm :

a) Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lu

2 2

1 2 2

0

63)

3cos(

22

62

1

U d

U d

u

πθθ

πθπ

θπ

θ θ

d

d I R

U

=

2.4 Các mạch lọc:

2-4.1 Khai triển Fourier điện áp chỉnh lu và mục đích mạch lọc

Từ các mạch chỉnh lu đã xét trớc đây ngời ta thấy rằng đồ thị biến thiên của

điện áp chỉnh lu có dạng nhấp nhô

Điện áp udnh vậy có thể khai triển Fourier dới dạng :

)cos1

)1(21

(

1 2 2

t Kn n

K U

u

K

K do

−

−+

16

Trong đó: Udo – giá trị trung bình của ud

n- số đỉnh hình sin trong một chu kỳ của điện áp xoay chiều cần chỉnh lu, n còn gọi

là chỉ số nhấp nhô

Nh vậy điện áp ud bao gồm thành phần không đổi Udo, thành phần dao độngcơ bản Unmaxcosnωt và các thành phần dao động bậc cao UKnmaxcosKnωt Trong đóK= 2ữ∞

Bởi vì K càng lớn thì biên độ của biên độ thành phần giao động càng lớn Do

đó khi tính gần đúng ta có thể chỉ lấy hai thành phần trong khai triển Fourier của ud :thành phần không đổi udo và thành phần giao động cơ bản Unmaxcosnωt Nói cáchkhác

nra

Knvào

Kf

Trong đó :

1n

2U

K = - là tỉ số nhấp nhô của điện áp ra khỏi bộ lọc

Unmaxra – biên độ của thành phần giao động cơ bản của điện áp ra của bộ lọc

2.4.2 Mạch lọc dùng tụ điện

Ta xét một sơ đồ chỉnh lu một pha hai nửa chu kì có mạch lọc dùng tụ điện C

nh hình 2.9. Trong sơ đồ này tụ điện C đợc mắc song song với phụ tải Do đó điện

áp đầu phụ tải ud bằng điện áp trên tụ điện uc

Điện áp trên tụ biến thiên giữa giá trị cực đại Um và cực tiểu Um – Ur Khi

điện áp biến thiên nhỏ có thể tính gần đúng:

RC f

U U

r

m

r = ( 2.19)

fr là tần số nhấp nhô của điện áp chỉnh lu

Trị trung bình của điện áp chỉnh lu:

2

11(

RC f U

U

r m

d = − ( 2.20)

Điện áp hiệu dụng nhấp nhô:

RC f

U U

r

m ac

22

= ( 2.21)

Ta tìm đợc hệ số sóng:

)1(

Ta xét một sơ đồ mạch lọc dùng điện cảm đơn giản nhất nh hình 2-10 Dòng

điện chỉnh lu đợc duy trì ở giá trị xác lập nếu cảm kháng ωLf >>R Tác dụng lọc sẽhiệu quả hơn trong các điều kiện dòng tải lớn Hình 2.11 trình bày dạng sóng dòng

điện chỉnh lu khi có lọc điên cảm Hệ số sóng khi có tác dụng lọc đợc cho bằng biểuthức:

18

RC

R u

u

π+

Hệ số khi có lọc LC đợc cho bằng

biểu thức

f f t

d

C L f u

u

2

)2(1

1π

Giá trị điện cảm tối thiểu để duy trì dòng điện một chiều gọi là điện cảm tớihạn Đối với chỉnh lu hai nửa chu kỳ:

f

R

L c

π6

Đối với chỉnh lu nhiều pha điện cảm tới hạn đợc xác định bằng:

f m m

R

L c

)1(

Hình 2.10 Bộ lọc dùng điện cảm

Trong thực tế việc tính chọn Lf phụ thuộc vào hệ số sóng của điện áp chỉnh

l-u Bằng phân tích Fourier điện áp chỉnh lu hai nửa chu kỳ thứ cấp MBA có điểmgiữa ta tìm đợc

)1(

12

n s

n

Độ méo điều hoà đợc xác định bằng công thức:

1)( 2 −

=

I

I THD

trong đó I là trị hiệu dụng dòng điện vào; I1 là trị hiệu dụng thành phần cóbản của dòng điện

=

=

5 , 3 , 2

2sin14

Chơng 3Chỉnh lu có điều khiển dùng Tiristo

3-1 Khái niệm chung

Nh ta đã biết ở chơng 1, điốt sẽ mở khi hiệu thế giữa anốt và catốt trởnên dơng (UAK > 0 ) còn tirito chỉ mở khi đồng thời thoả mãn cả 2 điều kiện : UAK >

0 và có tín hiệu dơng UGK hoặc IG tác dụng vào cực điều khiển G của tiristo Do đótiristo thờng mở chậm hơn điốt tơng ứng một góc α nào đó Góc α này đợc gọi làgóc mở chậm của tiristo , ta có :

α = ωτ (3.1)Trong đó:

ω - tần số góc của dòng điện xoay chiều

τ - thời gian tính từ thời điểm mở điốt tơng ứng ( UAK bắt đầu dơng ) đến thời

điểm mở tiristo ( có tín hiệu điều khiển IG )

Trong các mạch chỉnh lu dùng tiristo đều đợc cung cấp từ nguồn điện xoaychiều một pha hoặc 3 pha Do đó các tiristo chuyển từ trạng thái mở sang trạng tháikhoá thờng bằng cáh tự nhiên Điều này có nghĩa là mỗi tiristo sẽ khoá lại khi dòng

điện qua nó đi qua trị số không, hoặc nó bị phân cực ngợc một cách tự nhiên theoquy luật của nguồn điện xoay chiều và tính chất phụ tải

3-2 các chế độ cung cấp điện cho một phụ tải qua mạch chỉnh lu dùng tiristo

Khi cung cấp diện cho một phụ tải qua bộ chỉnh lu dùng tiristo ta có thể gặp

2 chế độ cung cấp sau đây:

3-2-1 Chế độ cung cấp gián đoạn : ở chế độ cung cấp này dòng điện qua phụ tải không liên tục

Để minh hoạ chế độ này ta xét một mạch chỉnh lu 1 pha một nửa chu kì nh

còn dòng điện id qua phụ tải đợc xác định từ phơng trình

z

U

A – hằng số tích phân đợc xác định từ điêud kiện ban đầu

3-2-2 Chế độ cung cấp liên tục : ở chế độ này dòng điện qua phụ tải

là một dòng điện liên tục (luôn luôn lớn hơn không )

Để minh hoạ chế độ này ta xét một mạch chỉnh lu một pha hai nửa chu kì nhhình 3-2a

Trong mạch này các tiristo T1 và T2 đợc điều khiển bằng các xung dòng điện

iG1 và iG2, ở mỗi chu kì xung điều khiển iG1 đợc cho trên cực điều khiển của T1 chậmsau điện áp u1 một góc α, còn iG2 đợc cho trên cực điều khiển của T2 chậm sau iG1

UA1K = uA1 – uK = u1 –u2 < 0, nên T1 khoá lại , nh vậy sự mở của một tiristo

sẽ dẫn đến sự khoá của một tiristo khác khi tiristo T2 mở , id = iTh2 và có dạng giống

nh iTh1 ở nửa chu kì trớc Bây giờ ta hãy xem với điều kiện nào thì dòng điện id quaphụ tải là liên tục , ta dễ dàng thấy rằng để id liên tục thì ngay trớc khi mở Th2, dòng

điện id = iTh1 cha giảm đến không Nói cách khác dòng điện id ở các góc pha α và α

+ π lớn hơn không

3-3 sơ đồ chỉnh lu cầu một pha dùng tiristo

Trong sơ đồ này ngời ta dùng 4 tiristo T1, T2, T3, T4 Các tiristo này đợc điềukhiển bằng các xung dòng điện điều khiển tơng ứng iG1, iG2, iG3, iG4 Thông thờng cácxung dòng điện này đợc cung cấp từ một máy phát xung chung (không vẽ tronghình 3-3a)

Mạch chỉnh lu đợc cung cấp từ một nguồn điện xoay chiều qua biến áp với

điểm A qua T1 đến điểm M qua phụ tải đến điểm N qua T3 về điểm B

Các tiristo này mở cho đến lúc ωt = π Tại ωt = π, u2 = 0 Dòng qua tiristocũng bằng không (vì ở mạch thuần trở dòng điện cùng pha với điện áp ) và tiristo tắtmột cách tự nhiên

Trong thời gian các tiristo này mở (α ≤ ωt ≤ π) điện áp chỉnh lu (điện áp ởhai đầu phụ tải ) là:

ud = u2 = U2msinωtdòng điện qua phụ tải và tiristo T1 là :

t R

U R

u i

điện đi từ điểm B qua T2 đến điểm M qua phụ tải đến điểm N qua T4 về điểm A

Các tiristo này mở cho đến ωt = 2π tại ωt = 2π, u2 = 0 dòng điện qua tiristobằng không và tiristo tắt một cách tự nhiên Trong thời gian các tiristo T2 và T4 mở,