Chương III BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU KHIỂN PHA
III.2 THYRISTOR: NGẮT ĐIỆN LÀM VIỆC VỚI NGUỒN XOAY CHIỀU
1. Sự làm việc của thyristor với nguồn xoay chiều:
Lập mạch điện thí nghiệm như hình III.2.1.
u là áp nguồn hình sin, bộ điều khiển có tác động ON – OFF: cung cấp dòng cực cổng IG đủ lớn để kích khởi được triac khi ON và bằng không khi OFF. Kết quả nhận được (hình III.2.2.a):
- Khi bộ điều khiển ON: triac dẫn điện ngay vì nó có thể dẫn dòng theo hai cực tính.
Dòng qua tải R có cùng dạng áp nguồn vì ta có R.io = uo = u.
III.2.1 Mạch TRIAC và nguồn xoay chiều, tải R.
- Khi bộ điều khiển OFF: vì linh kiện họ thyristor có khả năng tự giữ trạng thái dẫn điện nên triac chỉ tắt khi áp nguồn u qua zero.
Hình III.2.2.a: Dạng áp ra điều khiển ON – OFF dùng TRIAC (a), có đóng ngắt lúc áp qua zero (b)
Hình III.2.2.b: Áp ra điều khiển pha tải trơ
Nhận xét:
- Khi điều khiển ON – OFF, linh kiện họ thyristor có thể đóng vai trò một ngắt điện chủ động trong lưới điện xoay chiều, nó làm việc theo tín hiệu điều khiển cực cổng thay vì đóng ngắt thụ động (chỉ theo phân cực) như diod:
+ Thyristor dẫn điện khi được điều khiển. Sự dẫn điện này phụ thuộc vào loại thyristor mà là một chiều (SCR) hay xoay chiều (triac).
+ Thyristor ngắt (ngưng dẫn) khi ta không điều khiển. Điều này không xảy ra tức thời như ở transistor, thyristor chỉ tắt khi áp nguồn xoay chiều làm dòng qua nó về không.
TÓM TẮT - Có thể xem ở điều khiển ON-OFF, ngắt điên bán dẫn thyristor sẽ thay thế ngắt điện cơ khí để đóng ngắt tải với nhiều ưu điểm.
ẹieàu khieồn pha:
Một phương pháp khác phức tạp hơn, chỉ cho phép thyristor dẫn điện một phần của chu kỳ hình sin gọi là điều khiển pha (hình III.2.2.b). Thyristor sẽ dẫn điện khi được kích và tắt khi dòng qua nó về không ở cuối bán kỳ. Như vậy, phương pháp này cho điện áp ngỏ ra. Để điều khiển pha, tín hiệu điều khiển các SCR hay triac phải có cùng tần số với lưới điện (để có thể đóng ngắt ở mỗi chu kỳ) và góc lệch pha thay đổi được. Góc lệch pha này được gọi là góc điều khiển pha α − còn gọi là góc thông chậm (angle of retard, delayed angle).
Góc điều khiển pha (ĐKP) α được tính từ vị trí gốc (còn gọi là vị trí α = 0) gọi là góc chuyển mạch tự nhiên hay không có điều khiển. Góc chuyển mạch tự nhiên này là điểm thyristor bắt đầu dẫn điện khi ta cung cấp dòng cực cổng liên tục, tương ứng với trường hợp thay thế thyristor bằng diode) và tải mạch điện là thuần trở. Có thể dể dàng thấy là khi α = 0, áp ra sẽ cực đại. Một thông số khác của sơ đồ điều khiển là bề rộng xung kích thyristor phải được chọn thích hợp để có phạm vi thay đổi góc ĐKP rộng nhất, từ giá trị áp ra tối thiểu (thường bằng 0) tương ứng α = αMAX đến áp ra cực đại α = 0 ở tải thuần trở.
2. Khảo sát chỉnh lưu 1 SCR điều khiển pha:
Chỉnh lưu 1 SCR ít thông dụng nhưng việc khảo sát chỉnh lưu 1 SCR lại có ý nghiã rất lớn vì nó chính là cơ sở cho lý luận và tính toán các sơ đồ phức tạp hơn sau này. Cùng với việc sử dụng SCR, ta làm quen với sơ đồ phát xung điều khiển các ngắt điện, là giản đồ thời gian trong đó luật điều khiển ngắt điện thể hiện bằng logic hai trạng thái:
ON (hay 1 hay High): cho phép ngắt điện hoạt động bằng cách cung cấp tin hiệu điều khiển (dòng cực cổng cho SCR hay dòng cực nền cho BJT) có biên độ đủ lớn .
OFF (hay 0 hay Low): ngưng cung cấp tín hiệu điều khiển, khi đó hoạt động của ngắt điện chỉ còn phụ thuộc vào đặc tính hệ thống lúc đó.
Với cùng mạch động lực, hoạt động của các BBĐ có thể thay đổi theo sơ đồ điều khiển.
a. Khảo sát với tải R:
Tín hiệu điều khiển SCR T1 là dòng iG có tần số lưới điện, lệnh pha góc α (hình III.2.3.b).
ở wt = 0 SCR T được phân cực thuận nhưng chưa dẫn điện vì chưa được kích cho đến wt
= α, SCR daón ủieọn:
áp ra uo = u = R.io => dòng tải io cùng dạng hình sin với áp nguồn.
võùy io = 0 ở cuối bỏn kỳ và SCR tắt cho đến khi được kớch ở chu kỳ kế.
R T1
ẹieàu khieồn
io uo u
(a)
Hình III.2.3: Mạch điện (a) và dạng dòng áp chổnh lửu 1 SCR (b)
Trị trung bình áp ra:
o
wt
u io
2π
u
i
uT1
γ = π − α wt
π G1 wt
0 2
α
U 2 (b)
2 0
1 1 2
. . (cos 1)
2 2 2
O O
U πu dwt πu dwt U
α α
π π π
= ∫ = ∫ = + <III.2.1>
Khi α = 0, ta có lại trường hợp chỉnh lưu diod.
Vì dòng tải io =u Ro / , có thể tích phân trực tiếp hay dùng nguyên lý xếp chồng để tính trung bình dòng tải : IO =U RO/
Trị số hiệu dụng áp ngỏ ra:
2 2 2 2 2
1 1 1 1
2 0 2 2
1 1 1 1 1
2 2 2 2 2
. . . sin .
(1 cos 2 ). [ sin 2 ] ( sin 2 )
oR o o
oR
U u dwt u dwt u dwt U wt dwt
U U wt dwt U wt wt U
π π π π
π π α π α π α
π π
π α π α π π α α
= = = =
= − = − = − +
∫ ∫ ∫ ∫
∫
<III.2.2>
Khi α = 0, ta có trị hiệu dụng áp ra chỉnh lưu diod bằng U/ 2 =0.707U, lớn hơn giá trị trung bình.
Áp rơi trên SCR uT bằng không khi SCR đẫn điện hay bằng áp nguồn u khi dòng tải bằng khoâng (hình III.2.3): uT = u – R.io
GHI NHỚ - Khi điều khiển pha, SCR dẫn điện chậm đi so với diod ở cùng vị trí, nhờ vậy ta có thể điều khiển (giảm) áp ngỏ ra.
- Với tải R, áp và dòng tải có cùng dạng.
b. Khảo sát với tải RL:
Khảo sát tương tự trường hợp R.
Tải RL có thông số: ( )
R tg wL L
R
Z = 2 + ω 2và góc pha φ = −1
tải trở
toồng
Ở wt = α : SCR được kích, nó dẫn điện vì đang phân cực thuận, phương trình mạch điện lúc này: uo =uR+uL =u hay
. 2 sin
= + o = =
o o
u R i Ldi u U wt
dt
với điều kiện đầu là khi wt = α , io = 0
R
T1 io
o
L
u u
Hình III.2.6: Chỉnh lưu 1 SCR tải RL Dòng tải io có dạng iO = iO1 + iO2 với
* iO1 là thành phần xác lập, là dòng qua mạch với nguồn hình sin u:
( )
1
2 2
1
2sin(ω φ) ω
φ −
= −
= +
= tổng trở tải và góc pha tải
o
i U t
Z
Z R L
tg wL R
* iO2 là thành phần quá độ, là nghiệm của phửụng trỡnh khoõng veỏ hai:
0= ⋅ + ⋅R i Lo dio dt
LR Ae
io2 = −tτ vớithời hằngτ= , Hằng số tích phân A xác định từ điều kiện ban đầu
0 U 2sin( ) Ae Z
αω τ
α φ − ⋅
= − + suy ra bieồu
thức dòng điện ngỏ ra iO như sau: Hình III.2.7: Phân tích các thành phấn áp ngỏ ra.
2 sin( ) sin( ) ( t )
o
i U t e
Z
ω α ω τ
ω φ α φ − − ⋅
⎡ ⎤
= ⎢⎣ − − − ⋅ ⎥⎦ <III.2.3 >
Cỏc thành phần dũng điện iO được vẽ trờn hỡnh III.2.7ứ.
Khi wt = α + γ dòng về không:
iO = 0 suy ra sin(α+γ −φ)−sin(α−φ)⋅e−γω⋅τ =0 <III.2.4 > hay:
τ
⋅ γω
⋅ −
φ
− α
= φ
− γ +
α ) sin( ) e
sin( <III.2.4* >
γ : bề rộng xung điện áp ngỏ ra (trong trường hợp này cũng là góc dẫn của SCR). Phương trình <III.2.4*> chỉ có thể giải bằng phương pháp số. Phụ lục III.1 trình bày cách dùng công cụ GOAL SEEK của Excel để giải <III.2.4* >.
Từ hình III.2.7, có thể nhận xét góc dẫn γ > π − α: dòng qua SCR tăng lên từ giá trị không và chỉ bằng không khi đã qua bán kỳ âm. Hiện tượng này có thể giải thích bằng đặc tính của tự cảm L là chống lại sự thay đổi của dòng điện qua nó. Khi thyristor bắt đầu dẫn, dòng qua mạch tăng lên từ giá trị không. Khi đó uL Ldio 0
= dt > , L được nạp năng lượng và sụt áp qua R bé
hơn áp nguồn. Khi áp nguồn u giảm, iO giảm và uL<0, L được xả năng lượng làm tăng hiệu thế qua R, cho phộp dũng qua nú vẫn cũn khi ỏp nguồứn đó õm. uL là phần diện tớch gạch sọc thẳng đứng trên, uR là phần có chấm ở hình III.2.7.
Có góc dẫn γ, ta tính được:
Trị trung bình dòng IO : ∫ α∫+γ
π α
=
= T T o o
o i dt i dwt
I 2
1 1
( )
1 2
sin( ) sin( ) 2
t o
I U t e dwt
Z
α γ ω α
ω τ α
ω φ α φ
π
+ − −
⎡ ⋅ ⎤
= ∫ ⎢⎣ − − − ⋅ ⎥⎦ < III.2.5>
Và trị hiệu dụng dòng IOR: ∫ ( ) α∫+γ( )
π α
=
= i dt i dwt
IOR T T o o 2
2 1 2
1
( ) 2 1
2
2 sin( ) sin( )
t OR
I U t e dwt
Z
α γ ω α
π ω τ α
ω φ α φ
+ − −
⎡ ⋅ ⎤
= ∫ ⎢⎣ − − − ⋅ ⎥⎦ < III.2.6>
Hai tích phân này có thể thực hiện được nhưng kết quả không đặc sắc, có thể xem như một bài tập.
GHI NHỚ - Khi tải có tự cảm, điện áp cảm ứng của nó có thể giúp cho SCR tiếp tục dẫn điện khi áp nguồn âm.
- Trị trung bình áp ngỏ ra tải R tính theo công thức <III.2.5>, giảm khi tải có L vì bề rộng xung áp γ tăng làm áp ngỏ ra có phần âm (hình III.2.6).
Bài tập: Sử dụng GOAL SEEK của Excel để giải <III.2.4>:
Goal Seek là công cụ dò tìm giá trị một biến để một biểu thức đạt giá trị cho trước của bảng tính. Lưu ý các hàm lượng giác của Excel mặc định có đơn vị là radian.
Màn hình Excel để tìm góc dẫn khi cho trước góc kích.
3. Diod phóng điện (diod zero, diod bánh đà):
Như đã khảo sát trong mục vừa rồi, xung dòng qua các ngắt điện được kéo dài khi áp nguồn giảm về không hay âm khi khi cuộn dây trả lại năng lượng tích trữ. Một tác dụng phụ nhưng quan trọng của năng lượùng tớch trữ trong cuộn dõy là khả năng gõy quỏ điện ỏp khi dũng qua cuộn dây bị ngắt đột ngột, ví dụ như mạch đóng ngắt cuộn dây rơ le trong hình III.2.9a. Thực
L
T o R
D
u
i
vo
Hình III.2.8: Chỉnh lưu 1 SCR có diod phóng điện
vậy, áp rơi qua tự cảm L = L.di/dt sẽ rất lớn khi dòng qua nó thay đổi đột ngột (tương ứng với di/dt tăng lên rất cao). Diod phóng điện Df có nhiệm vụ khép kín mạch, tạo đường phóng điện cho cuộn dây rơle khi khóa K mở ra.
Tác dụng thứ hai của diod phóng điện là làm cho dòng qua cuộn dây liên tục và ít nhấp nhô hơn. Trong các sơ đồ chỉnh lưu, diod phóng điện D sẽ làm cho áp ngỏ ra không thể âm (hình III.2.9b). Dòng phóng qua Dfù có dạng hàm mũ, giảm về không chậm hơn trường hợp không có nó.