hướng dẫn Mẹo Hay

Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất

TÀI LIỆU GIẢNG DẠY -

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Giảng viên: Th.S Nguyễn Đức Điển

Nam Định, tháng 08 năm 2015

TÀI LIỆU HỌC TẬP VÀ THAM KHẢO 1. Phạm Quốc Hải: “Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất”. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2009. 2. Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh: “Điện tử công suất”. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2004. 3. Trần Văn Thịnh: “Tính toán thiết kế thiết bị Điện tử công suất”. Nhà xuất bản giáo dục, Hà Nội, 2009.

CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

MỤC LỤC Chương I. CHỈNH LƯU........................................................................................... 6 1.1. CÁC THAM SỐ CỦA CHỈNH LƯU VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT ............... 6 1.1.1. Cấu trúc chỉnh lưu..................................................................................... 6

1.1.2. Các tham số của mạch chỉnh lưu .............................................................. 7 1.1.3. Yêu cầu kỹ thuật cần cho thiết kế ............................................................. 8 1.2. NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỚI THAM SỐ CHỈNH LƯU ....... 9 1.2.1. Ảnh hưởng của điện áp nguồn .................................................................. 9 1.2.2. Ảnh hưởng của tần số và dạng điện áp nguồn ........................................ 10 1.2.3. Ảnh hưởng của dòng điện tải .................................................................. 10 1.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ .......................................................................... 11 1.3. CÁC MẠCH CHỈNH LƯU CƠ BẢN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG ............ 11 1.3.1. Các sơ đồ chỉnh lưu chính ...................................................................... 11 1.3.2. Các dạng tải của chỉnh lưu ...................................................................... 14 1.3.3. Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ [hình 1.2a] ...................................... 15 1.3.4. Chỉnh lưu hình tia hai pha [hình 1.2b] .................................................... 16 1.3.5. Chỉnh lưu cầu một pha [hình 1.2d] ......................................................... 17 1.3.6. Chỉnh lưu ba pha hình tia [hình 1.2c] ..................................................... 18 1.3.7. Chỉnh lưu cầu ba pha [hình 1.2e] ............................................................ 19 1.3.8. Chỉnh lưu bán điều khiển [hình 1.2h, i, k] .............................................. 21 1.4. YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI MẠCH ĐIỀU KHIỂN ................................. 23 1.5. ĐẶC TÍNH ĐIỀU KHIỂN CỦA THYRISTOR ........................................... 24 1.5.1. Đặc điểm vùng điều khiển GK của Thyristor ......................................... 24 1.5.2. Ảnh hưởng của các phần tử nối song song với cực điều khiển .............. 25 1.6. CẤU TRÚC MẠCH ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR ....................................... 27 1.6.1. Các hệ điều khiển chỉnh lưu ................................................................... 27 1.6.2. Các nguyên tắc điều khiển trong hệ đồng bộ .......................................... 27 1.6.3. Mạch điều khiển [MĐK] một kênh và nhiều kênh ................................. 29 1.7. KHÂU ĐỒNG BỘ ......................................................................................... 30 CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

1.7.1. Mạch đồng pha........................................................................................ 30 1.7.2. Mạch đồng bộ ......................................................................................... 32 1.8. KHÂU TẠO ĐIỆN ÁP TỰA......................................................................... 37 1.8.1. Mạch tạo răng cưa tuyến tính hai nửa chu kỳ sử dụng transistor ........... 38 1.8.2. Mạch tạo răng cưa tuyến tính hai nửa chu kỳ sử dụng OA. ................... 42 1.9. KHÂU SO SÁNH .......................................................................................... 46 1.10. KHÂU TẠO XUNG ĐƠN .......................................................................... 47 1.11. KHÂU TẠO XUNG KÉP............................................................................ 50 1.11.1. Ghép xung bằng mạch logic OR. .......................................................... 51 1.11.2. Ghép xung bằng diode. ......................................................................... 51 1.12. KHÂU TẠO XUNG CHÙM ....................................................................... 52 1.12.1. Các bộ tạo dao động [multivibrator] ..................................................... 54 1.12.2. Mạch trộn xung có độ rộng [180o-α] .................................................... 55 1.13. KHÂU TÁCH XUNG ................................................................................. 57 1.14. KHÂU KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT XUNG ĐIỀU KHIỂN.................... 57 1.14.1. Khuếch đại xung ghép trực tiếp ............................................................ 58 1.14.2. Khuếch đại xung ghép qua phần tử quang ............................................ 61 1.14.3. Khuếch đại xung ghép bằng biến áp xung ............................................ 61 1.15. KHÂU TẠO ĐIỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN ........................................................ 64 1.15.1. Tạo điện áp điều khiển .......................................................................... 64 1.15.2. Mạch hạn chế góc điều khiển ............................................................... 76 1.15.3. Mạch hạn chế gia tốc điện áp................................................................ 77 1.16. NGUỒN CUNG CẤP CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN ................................... 77 1.16.1. Giới thiệu chung ................................................................................... 77 1.16.2. Nguồn một chiều ổn áp theo cấp chuẩn ................................................ 78 1.17. VÍ DỤ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU .............................................. 81 1.17.1. Mạch phát xung đơn không có khâu tách xung .................................... 81 1.17.2. Mạch phát xung chùm, có khâu tách xung ........................................... 82

1.16.3. Mạch điều khiển chỉnh lưu ba pha ........................................................ 85 Chương II. ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU ......................................... 88 CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

2.1. CÁC ĐẶC ĐIỂM CHUNG ........................................................................... 88 2.2. ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA ........................................................... 89 2.2.1. Mạch lực ................................................................................................. 89 2.2.2. Mạch điều khiển...................................................................................... 93 2.3. ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA .............................................................. 94 2.3.1. Mạch lực ................................................................................................. 94 2.3.2.Mạch điều khiển....................................................................................... 97 Chương III. BĂM XUNG MỘT CHIỀU ............................................................ 100 3.1. NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA BĂM XUNG MỘT CHIỀU ........................ 100 3.2. BĂM XUNG MỘT CHIỀU KHÔNG ĐẢO CHIỀU .................................. 102 3.2.1. Băm xung một chiều nối tiếp “Buck chopper” ..................................... 102 3.2.2. Băm xung một chiều song song “Boost” .............................................. 103 3.2.3. Băm xung một chiều kiểu nối tiếp – song song [Buck-Boost] ............. 104 3.3. ĐIỀU KHIỂN BĂM XUNG MỘT CHIỀU................................................. 105 3.3.1. Cấu trúc điều khiển ............................................................................... 105 3.3.2. Phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa........................................... 107 3.3.3. Khuếch đại xung [Drive] ...................................................................... 112 3.4. BĂM XUNG MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU ........................................... 122 3.4.1. Phương pháp điều khiển riêng .............................................................. 122 3.4.2. Phương pháp điều khiển đối xứng ........................................................ 124 3.4.3. Phương pháp điều khiển không đối xứng ............................................. 127

3.5. MỘT SỐ VÍ DỤ BĂM XUNG MỘT CHIỀU............................................. 129 3.5.1. Băm xung một chiều không đảo chiều ................................................. 129 3.5.2. Ví dụ băm xung một chiều đảo chiều ................................................... 133 Chương IV. NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP VÀ BIẾN TẦN................................... 139 4.1. GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................. 139 4.1.1. Nghịch lưu độc lập ................................................................................ 139 4.1.2. Biến tần ................................................................................................. 140 4.2. NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP MỘT PHA ....................................... 142 4.2.1. Mạch lực ............................................................................................... 142 CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

4.2.2. Bộ lọc tần số đầu ra nghịch lưu ............................................................ 144 4.2.3. Điều chế SPWM cho nghịch lưu độc lập điện áp một pha ................... 145 4.3. Nghịch lưu độc lập điện áp ba pha .............................................................. 147 4.3.1. Các đặc điểm chính ............................................................................... 147 4.3.2. Điều chế SPWM cho nghịch lưu độc lập điện áp ba pha ..................... 148 4.4. Điều khiển nghịch lưu.................................................................................. 150 4.4.1. Điều khiển nghịch lưu điện áp đơn giản ............................................... 151 4.4.2. Mạch điều khiển nghịch lưu điện áp với phương pháp SPWM ........... 153

CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

Chương I CHỈNH LƯU 1.1. CÁC THAM SỐ CỦA CHỈNH LƯU VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT 1.1.1. Cấu trúc chỉnh lưu Bộ chỉnh lưu [BCL] dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều cấp cho tải. Lĩnh vực ứng dụng của bộ chỉnh lưu rất rộng rãi vì chủng loại tải dùng dòng điện một chiều rất đa dạng. Đó là các động cơ điện một chiều, cuộn hút nam châm điện, rơle điện từ, bể mạ điện, thiết bị điện phân …Đại đa số các thiết bị điện tử cũng hoạt động ở điện áp một chiều nên để lấy năng lượng từ lưới điện xoay chiều cũng phải thông qua mạch chỉnh lưu. Sơ đồ cấu trúc của BCL như hình 1.1.

U1~

BAL

U2~

LSB

TẢI

MĐK

KHT

Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc bộ chỉnh lưu BAL – biến áp lực có chức năng chuyển cấp điện áp và số pha chuẩn của lưới điện sang giá trị điện áp và số pha thích hợp với mạch chỉnh lưu – tải. Nếu cả điện áp và số pha nguồn đã phù hợp với tải có thể không cần dùng BAL khi sử dụng sơ đồ đấu van kiểu cầu, trường hợp dùng sơ đồ đấu van hình tia luôn bắt buộc phải có BA. MV – mạch van, các van bán dẫn được đấu theo một kiểu sơ đồ nào đó, ở đây trực tiếp thực hiện một sơ đồ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Vì vậy đây là một khâu không thể thiếu trong sơ đồ mạch chỉnh lưu. MĐK – mạch điền khiển. Khi mạch van sử dụng van bán dẫn điều khiển được [như thyristor ] sẽ có mạch này để thực hiện việc cho van dẫn dòng vào các thời điểm cần thiết nhằm khống chế năng lượng đưa ra tải. Khi dùng van điốt sẽ không có mạch này. Tùy thuộc van sử dụng mà các chỉnh lưu được phân thành ba loại sau: • Nếu các van đều là thyristor thì gọi là chỉnh lưu điều khiển. CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

• Nếu van được dùng là điốt, gọi là chỉnh lưu không điều khiển. • Nếu mạch van dùng cả điốt và thyristor, gọi là chỉnh lưu bán điều khiển. LSB – mạch lọc san bằng. Khâu này nhằm đảm bảo điện áp hay dòng điện ra bằng phẳng theo mong muốn của tải. Nếu điện áp sau MV đã đạt yêu cầu có thể bỏ khâu LSB. HT – khối hỗ trợ, gồm các mạch giúp theo dõi và đảm bảo BCL hoạt động bình thường, thí dụ như mạch tín hiệu, mạch đo lường điện áp và dòng điện, mạch bảo vệ, nguồn một chiều ổn định cho mạch điều khiển và khống chế.

Nhiệm vụ của người thiết kế là xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật cụ thể của BCL để xây dựng sơ đồ cấu trúc các khâu chức năng cần có. Từ đó tiến hành triển khai tính toán tỉ mỉ từng khâu để có một BCL hoàn chỉnh. Trong chương này sẽ trình bày chi tiết trình tự thiết kế BCL, trước tiên người thiết kế phải có hiểu biết những vấn đề cơ bản trong thiết kế BCL được đề cấp trong các mục đầu tiên dưới đây. 1.1.2. Các tham số của mạch chỉnh lưu Để phân tích và đánh giá BCL, thường dựa vào các tham số chính sau: 1. Điện áp nguồn xoay chiều định mức: U1đm [V] 2. Tần số điện áp nguồn định mức: f [Hz] và phạm vi biến thiên của nó. 3. Phạm vi biến thiên điện áp nguồn U1min, U1max hoặc độ biến thiên điện áp tương đối so với điện áp định mức: U1max − U1dm U1dm U − U1min Độ giảm điện áp a1 = 1dm U1dm

Độ tăng điện áp a1 =

Điện áp đầu ra một chiều định mức Udđm [V] Phạm vi điều chỉnh điện áp ra: Udmin, Udmax. Dòng điện tải định mức của bộ chỉnh lưu Idđm. Phạm vi biến thiên dòng điện tải Idmin, Idmax. Biên độ đập mạch điện áp ra:U1max [đây là biên độ sóng hài cơ bản của điện áp một

chiều ở đầu ra theo khai triển Furier ] 9. Hệ số đập mạch điện áp ra: kdm =

U1max là tỉ số giữa biên độ sóng hài cơ bản và thành phần trung bình [hoặc U0

không đổi ] của điện áp ra. Hệ số này càng nhỏ thì điện áp ra càng phẳng hơn. 10. Nội trở của bộ chỉnh lưu: r = CEA TĐH-NĐ

∆U d . ∆I d

V1.0/2015

11. Điện trở động của chỉnh lưu rd =

dU d , [tỉ số giữa độ biến thiên điện áp ra do sự đột dI d

biến và dòng điện tải gây ra]. 12. Hiệu suất bộ chỉnh lưu: η = r =

Pd , trong đó Pd là công suất nhận được phía một Pv

chiều, còn Pv là công suất tiêu thụ lấy từ nguồn điện xoay chiều. 1.1.3. Yêu cầu kỹ thuật cần cho thiết kế Để có thể thiết kế một BCL hoàn chỉnh cần biết trước các số liệu và yêu cầu kỹ thuật sau: 1.1.3.1 Các số liệu và yêu cầu của nguồn xoay chiều cấp cho BCL 1. Giá trị định mức của điện áp xoay chiều: Uđm [V] 2. Số pha nguồn. 3. Tần số lưới [Hz]. 4. Độ dao động điện áp nguồn: ∆U. 5. Độ dao động tần số ∆f. 6. Độ mất đối xứng giữa các pha. 7. Độ méo điện áp nguồn. . 8. Sụt áp đột biến lớn nhất: ∆Umax và thời gian tồn tại sụt áp này 1.1.3.2 Các số liệu và yêu cầu từ phía tải của chỉnh lưu 1. Điện áp ra tải định mức [Giá trị trung bình]: Udđm. 2. Phạm vi điều chỉnh điện áp và độ trơn điều chỉnh. 3. Phạm vi biến thiên của dòng điện tải: Itmin Itmax. 4. Quy luật thay đổi dòng điện tải[nhanh, chậm, đột biến…]. 5. Dao động điện áp ra cho phép ∆Uracp khi điện áp nguồn thay đổi trong phạm vi tối đa. 6. Nội trở nguồn chỉnh lưu hay ∆Ura khi dòng tải biến thiên từ Itmin Itmax. 7. Tổng sai số điện áp ra cho phép dưới tác động của tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến nó. 8. Điện trở động của nguồn hay [hay đặc tính tần số]. 9. Điều kiện môi trường làm việc của bộ chỉnh lưu: nhiệt độ, độ ẩm, độ rung, độ va

đập… 10. Độ tin cậy của bộ chỉnh lưu, hệ số dự phòng. 11. Độ chính xác điều chỉnh. 12. Phương pháp làm mát. CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

13. An toàn lao động [đầu ra chỉnh lưu được nối với vỏ hay phải cách li vỏ]. 14. Vấn đề bảo vệ quá áp cho tải. 15. Các mạch tín hiệu hóa cần có. 16. Thời gian khởi động nhỏ nhất, lớn nhất. 17. Các yêu cầu và kích thước và trọng lượng của thiết bị. 18. Phương thức theo dõi và kiểm tra điện áp và dòng điện ra tải. 19. Hiệu suất của thiết bị. 20. Hệ số đập mạch điện áp [hay dòng điện] ra tải cho phép. 21. Ngoài ra còn có các những đòi hỏi không được đề cập trong yêu cầu kỹ thuật Song người thiết kế bắt buộc phải thực hiện [như bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ các sự cố, phần chỉ thị trạng thái thiết bị…]. Mặt khác nhiều khi người thiết kế phải tự xác định hoặc đưa ra một số tham số theo kinh nghiệm mà người đặt hàng không nắm được do không hiểu hết các vấn đề kỹ thuật đặt ra. 1.2. NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỚI THAM SỐ CHỈNH LƯU Bộ chỉnh lưu công suất thường làm việc trong lưới điện công nghiệp nên phải chịu ảnh hưởng của các phụ tải khác cùng chung nguồn với nó, hay những biến động do hệ thống cung cấp điện đem tới. Mặt khác tải cũng có những ảnh hưởng đáng kể tới BCL. Vì vậy cần biết điều này có thể tiên liệu các giải pháp phù hợp khi thiết kế. 1.2.1. Ảnh hưởng của điện áp nguồn

Điện áp nguồn thường có độ dao động quy chuẩn là 5%, tuy nhiên trên thực tế ở nhiều khu vực có độ dao động điện áp lớn hơn nhiều và có thể lên tới +10% và -20%. Độ dao động điện áp này ảnh hưởng trực tiếp và rõ rệt đến điện áp ra của mạch chỉnh lưu ngoài ra còn có tác động thêm của các yếu tố sau: 1. Sụt áp trên dây dẫn nguồn. 2. Biến áp nguồn cung cấp thường cho phép sai số về các mức điện áp ra. 3. Các mạch chỉnh lưu có nội trở nhất định, khi nguồn biến động dẫn đến điện áp ra thay đổi làm dòng tải biến thiên, vì vậy điện áp trên nội trở sẽ thay đổi và tác động trở lại điện áp ra. 4. Dòng tải thay đổi làm điện trở dây dẫn thay đổi. Vì vậy ngay cả khi điện áp nguồn ổn định, không thay đổi thì các yếu tố trên đã làm điện áp ra sai lệch từ 3% đến 15%. Nếu cộng thêm ảnh hưởng của nguồn thì sai số này lên tới 10% đến 20%.

CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

Khi sử dụng các mạch chỉnh lưu ba pha, độ mất đối xứng của điện áp nguồn sẽ làm xuất hiện thêm sự sai lệch điện áp ra, mặt khác còn làm tăng thêm độ đập mạch. Với các bộ chỉnh lưu công suất lớn [ 100 kW] lại ở xa trạm biến thế cần cố gắng sử dụng cấp điện áp nguồn cao hơn để giảm chi phí về dây dẫn. Khi các bộ chỉnh lưu làm việc trong một mạng cấp điện có các động cơ điện công suất công suất lớn cần chú ý ảnh hưởng của chúng. Lúc các động cơ này khởi động sẽ làm xuất hiện sụt áp trên mạng có thể lên tới 20%. Độ sụt áp này có thể làm cho bộ chỉnh lưu ngừng hoạt động do tác động của mạch bảo vệ hay các phần tử khống chế [như rơle, công-tắc-tơ bị nhả ra]. Như vậy ta cần thiết kế mạch tác động trễ để tránh hiện tượng này.

Còn khi các động cơ đang chạy mà dừng sẽ gây ra các xung điện áp trong thời gian ngắn [thường không quá vài giây], tuy nhiên nó có thể phá hỏng các phần tử nhập áp như các van bán dẫn, tụ điện hoặc đánh thủng cách điện giữa các cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp. Vì vậy khi thiết kế cần tính đến nó để chọn các phần tử có đủ độ dự trữ về điện áp. 1.2.2. Ảnh hưởng của tần số và dạng điện áp nguồn Tần số cung cấp ảnh hưởng lớn đến chỉ tiêu về trọng lượng và kích thước bộ chỉnh lưu. Đa số các bộ chỉnh lưu làm việc với tần số 50Hz; tuy nhiên cũng có một số làm việc với tần số 400Hz, có khi tới 1- 2 kHz. Nếu so sánh hai bộ chỉnh lưu có cùng chỉ tiêu kỹ thuật thì chỉnh lưu làm việc với tần số 400Hz có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn 3 4 lần so với loại làm việc ở tần số 50Hz. Về bộ lọc còn giảm đi tới vài chục lần. Tuy nhiên bộ chỉnh lưu ở tần số cao hơn có tổn hao công suất và sụt áp trên dây dẫn lớn hơn, còn tụ lọc ở tần số cao cũng có tổn thất cao hơn[ và phải giảm độ đập mạch cho phép lên chúng]. Nếu nguồn xoay chiều có độ méo dưới 5 6% thì có thể coi nguồn là hình sin. Khi độ méo lớn hơn sẽ làm chỉ số của dụng cụ đo lường [kể cả đo trị số hiệu dụng và trung bình] bị sai lệch nhiều. Điều này thường xuất hiện khi nguồn yếu hoặc trong mạng có nhiều thiết bị sử dụng van thyristor hoặc các khuếch đại từ. 1.2.3. Ảnh hưởng của dòng điện tải Bất cứ bộ chỉnh lưu nào cũng có nội trở, do đó khi dòng điện tải biến thiên sẽ làm điện áp ra bị thay đổi. Vì vậy cần cố gắng giảm nội trở của bộ chỉnh lưu. Dây dẫn từ chỉnh lưu tải cũng ảnh hưởng lớn đến nội trở chung, nhất là với các tải có điện áp làm việc thấp và dòng tải lại lớn, trong những trường hợp này cần đặt bộ chỉnh lưu gần tối đa với tải. CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

Nếu dòng tải có khả năng biến đổi đột ngột sẽ làm tăng nỗi trở động của mạch chỉnh lưu. Đặc biệt là khi có mạch lọc LC và lại rơi vào chế độ mà tần số xung dòng điện bằng tần số dao động riêng của mạch LC sẽ dẫn đến điện trở động lớn hơn rất nhiều so với nội trở tĩnh. Ngoài ra mạch lọc loại này cũng sẽ làm xuất hiện các biến động điện áp khi đóng và ngắt tải. 1.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ Trong bộ chỉnh lưu có khá nhiều phần tử chịu ảnh hưởng của nhiệt độ: tụ hóa, điện trở và nhất là linh kiện bán dẫn như điốt, thyristor, transitor…Để đảm bảo bộ chỉnh lưu hoạt động tin cậy và lâu dài phải tính đến toàn bộ các yếu tố về nhiệt như: nhiệt độ môi trường, nhiệt độ cục bộ, độ phát nhiệt trên các phần tử …sao cho các linh kiện và các phần tử không làm việc ở gần mức giới hạn cho phép về nhiệt. Thông thường các linh kiện có độ dự trữ tối thiểu sau: • Điện trở phải có độ dự trữ 1,5 về công suất phát nhiệt. • Tụ điện phải có độ dự trữ 1,7 về điện áp. • Van bán dẫn phải có độ dự trữ 1,7 về điện áp. Với môi trường nhiệt đới cần phải tăng độ dự trữ cao hơn nữa. 1.3. CÁC MẠCH CHỈNH LƯU CƠ BẢN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG 1.3.1. Các sơ đồ chỉnh lưu chính Số lượng sơ đồ mạch chỉnh lưu khá đa dạng, song chủ yếu là một số mạch cơ bản xem trên hình 1.2, các tham số cơ bản để đánh giá chúng và làm cơ sở để tính toán phân tích và thiết kế xem trong bảng 1.1. Các mạch chỉnh lưu cơ bản gồm 9 sơ đồ sau: 1. Chỉnh lưu một pha một nửa chu kì [chỉnh lưu hình tia một pha], hình 1.2a. 2. Chỉnh lưu một pha có điểm trung tính [chỉnh lưu hình tia hai pha], hình 1.2b. 3. Chỉnh lưu hình tia ba pha, hình 1.2c. 4. Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển, hình 1.2d. 5. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển, hình 1.2e. 6. Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng [đấu song song hai mạch chỉnh lưu hình tia ba pha], hình 1.2g. 7. Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển có thyristor đấu thẳng hàng, hình 1.2h.

8. Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển với thyristor đấu katot chung, hình 1.2i. 9. Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển với thyristor đấu katot chung, hình 1.2k. CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

Hình 1.2. Các sơ đồ chỉnh lưu cơ bản Trong các sơ đồ trên không trình bày mạch chỉnh lưu không điều khiển, vì chỉ cần thay toàn bộ van thyristor bằng diode là có loại mạch này, trong khi mục đích chính của chỉnh lưu là điều chỉnh được công suất ra tải theo yêu cầu thì chỉnh lưu diode không đáp ứng được. Tuy nhiên khi tính toán, cần lưu ý rằng chỉnh lưu mang cùng tên thì dù là không điều khiển [dùng toàn diode], chỉnh lưu điều khiển [dùng toàn thyristor], hoặc chỉnh lưu bán điều khiển đều dùng chung một bảng tham số của kiểu đó, sự khác nhau chỉ thể hiện ở: • Chỉnh lưu diode không cho phép điều chỉnh điện áp ra. • Chỉnh lưu điều khiển và bán điều khiển cho phép điều chỉnh điện áp ra, song với quy luật khác nhau. Tuy nhiên, khi điều chỉnh lớn nhất có thể, thì hai loại điều khiển cũng chỉ đạt được điện áp ra bằng với chỉnh lưu diode. Chính vì vậy bảng 1.1 không có sự phân biệt về chỉnh lưu điều khiển hay không điều khiển. CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

Bảng 1.1

Chú thích bảng 1.1: Ud0 – trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu diode hay chỉnh lưu điều khiển khi α=0. U2 – trị số hiệu dụng của điện áp pha cuộn thứ cấp máy biến áp nguồn. Iv – trị số trung bình của dòng điện qua van. Ungmax – điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu khi làm việc. I2 – trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp máy biến áp nguồn. Id – trị số trung bình dòng điện tải ra. I1- trị số hiệu dụng dòng điện cuộn sơ cấp máy biến áp nguồn. kba – hệ số máy biến áp nguồn. Sba – công suất tính toán máy biến áp nguồn. Pd – công suất một chiều trên tải. ∆Uγ – sụt áp do điện cảm phía xoay chiều La gây ra. ∆Uγ=kγ2πf.LaId mđm – số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ lưới xoay chiều. CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

fđm – tần số sóng hài bậc 1 của điện áp chỉnh lưu, phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu theo quan hệ: fđm=mđmf1, trong đó f1 là tần số lưới điện xoay chiều. kđm – hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu: kdm =

U1m , trong đó U1m là biên độ sóng hài Ud

cơ bản của điện áp chỉnh lưu theo khai triển Furier. hγ – hệ số sơ đồ để tính góc trùng dẫn γ theo biểu thức chung: X I cos[α + γ ] = cos α − hγ a d 2U 2 1.3.2. Các dạng tải của chỉnh lưu Tải cho chỉnh lưu có 3 dạng thường gặp như hình 1.3.

Hình 1.3. Các dạng tải của chỉnh lưu 1.3.2.1. Tải thuần trở Rd [hình 1.3a] Dạng tải này được sử dụng để phân tích nguyên lý làm việc và tính toán các tham số của mạch chỉnh lưu bảng 1.1. Dạng dòng điện tải id hoàn toàn giống với dạng điện áp nhận được Ud. Trong thực tế ít gặp tải thuần trở. 1.3.2.2. Tải có tính cảm kháng RdLd [hình 1.3b] Đặc điểm của tải dạng này là làm dạng dòng điện tải id không giống dạng điện áp Ud, nếu điện cảm đủ lớn sẽ làm dòng điện trở lên bằng phẳng, nên các hình vẽ dưới đây đồ thị dòng tải sẽ vẽ thẳng cho đơn giản. So với tải Rd thì tải này gặp nhiều hơn, như các cuộn dây nam châm điện, cuộn kích từ động cơ một chiều, kích từ động cơ xoay chiều… 1.3.2.3. Tải vừa có RdLd vừa có sức điện động Ed [gọi là tải RLE] [hình 1.3c] Đây là dạng tải gặp nhiều nhất trong thực tế như: bể điện phân, bể mạ, acquy, sức điện động phần ứng của động cơ một chiều …Đặc điểm của dạng tải này có nhiều điểm chung với tải RdLd, nhất là khi dòng điện tải phẳng, tuy nhiên Ed sẽ ảnh hưởng đến trị số dòng tải vì thường có chiều chống lại điện áp chỉnh lưu Ud.

CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

Nhìn chung các dạng tải trên của chỉnh lưu nêu trên, trong quá trình điều chỉnh điện áp ra sẽ xảy ra hai trường hợp đối với dòng điện tải: 1. Dòng điện id bị gián đoạn, lúc có lúc mất, làm cho năng lượng không được cấp thường xuyên cho tải, do vậy là không thuận lợi. Trường hợp này hay gặp ở tải thuần trở hoặc tải có điện cảm Ld nhỏ. 2. Dòng điện tải liên tục, tải luôn nhận được năng lượng, và do đó là thuận lợi hơn. Trường hợp này xảy ra khi điện cảm Ld đủ lớn. Vì dòng điện tải liên tục là chế độ mong muốn nên thường tính toán để có chế độ này. 1.3.3. Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ [hình 1.2a] Đồ thị làm việc với tải thuần trở trên hình 1.5. Do các chỉ tiêu kỹ thuật kém [bảng 1.1], loại này chỉ dùng cho tải rất nhỏ [dưới 100mA], thường dùng phương pháp lọc bằng tụ điện. Riêng khi mạch có thêm diode đệm D0 thì có thể dùng cho tải có tính điện cảm lớn như cuộn hút nam châm, cuộn dây kích từ của máy phát điện, ly hợp điện từ, …với dòng tải lớn đến vài chục ampe. Luật điều chỉnh là: 1 + cosα U dα = U do [1.1] 2 Trong đó: - Udo là tham số tra trong bảng 1.1 có được Udo=0,45U2 [U2 là giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều đưa vào mạch van]. - α được gọi là “góc điều khiển” , hoặc “góc mở thyristor” [hình 1.4]. Thực chất đây là góc độ điện tương ứng với thời điểm có xung điều khiển xuất hiện kể từ khi điện áp giữa hai cực A-K thyristor là dương.

Hình 1.4. Đồ thị minh họa góc điều khiển α

CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

Tải thuần trở
Tải RL Hình 1.5. Đồ thị chỉnh lưu một pha một nửa chu - Udo là giá trị điện áp ra tải lớn nhất mà chỉnh lưu điều khiển có thể đạt tới, tức là nó tương ứng với trường hợp điều khiển với α=0, đây cũng là giá trị điện áp của chỉnh lưu diode. Như vậy có thể hiểu ký tự “o” vừa là điện áp Ud[α=0], vừa như điện áp của chỉnh lưu “không” điều khiển. Theo đồ thị với tải thuần trở ta thấy khi điều chỉnh điện áp ra thì dòng tải luôn bị gián đoạn. 1.3.4. Chỉnh lưu hình tia hai pha [hình 1.2b] Mạch này được sử dụng nhiều trong dải công suất nhỏ. Với cấp điện áp dưới 100V vào dòng tải không lớn hơn vài ampe thường dùng lọc bằng tụ điện. Trường hợp dùng kiểu lọc điện cảm thì dòng điện tải cho phép tăng đến hàng chục ampe. Loại chỉnh lưu này chiếm ưu thế so với chỉnh lưu sơ đồ cầu khi điện áp ra tải thấp dưới 10V, do sụt áp trong mạch van thấp hơn. Nhược điểm chính của chỉnh lưu hình tia là buộc phải có biến áp nguồn để tạo điểm giữa cho mạch hoạt động được, mặt khác công suất máy biến áp lớn gấp 1,5 lần so với công suất một chiều cần thiết của tải. Hình 1.5 là đồ thị minh họa hoạt động của các dạng tải, Ig là các xung dòng điện đưa vào cực điều khiển của các thyristor ở thời điểm góc α quy định, xung của hai van cách nhau đúng một nửa chu kỳ điện áp nguồn [1800 điện]. - Với dạng tải thuần trở [hình 1.6a] dòng id đồng dạng với ud và cũng tuân theo luật

[1.1] với một sự khác biệt là Udo=0,9U2. - Với tải RL hoặc RLE, với giả thiết là điện cảm Ld đủ lớn để coi dòng điện tải id liên tục và phẳng [đồ thị hình 1.6b], sẽ có chung một quy luật điều chỉnh: CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

U dα = U do cosα - ∆U γ

Trong đó ∆Uγ là sụt áp do chuyển mạch trùng dẫn.

Tải RL hoặc RLE [dòng liên tục]

Tải thuần trở

Hình 1.6. Đồ thị làm việc của chỉnh lưu hình tia hai pha Sự khác biệt giữa hai dạng thể hiện ở biểu thức dòng tải: - Tải RL: I d =

U dα Rd

- Tải RLE: I d =

U d α − Ed Rd

1.3.5. Chỉnh lưu cầu một pha [hình 1.2d] Chỉnh lưu cầu được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế, nhất là với cấp điện áp ra từ 10V trở lên. Dòng tải có thể lên đến 100 ampe. Một trong những ưu điểm hơn hăn của nó so với hình tia là không nhất thiết phải có biến áp nguồn: khi điện áp ra tải phù hợp với cấp điện áp nguồn xoay chiều, ta có thể mắc trực tiếp mạch chỉnh lưu vào lưới điện. Do số lượng van phải gấp đôi sơ đồ hình tia nên sụt áp trong mạch van cũng tăng gấp đôi, vì vậy nó không thích hợp với tải cần dòng lớn nhưng điện áp ra lại nhỏ. Quy luật điều chỉnh của chỉnh lưu cầu một pha với các dạng tải tương tự chỉnh lưu hình tia hai pha.

CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

Tải thuần trở [dòng điện gián đoạn]
Tải RL hoặc RLE [dòng tải liên tục] Hình 1.7. Đồ thị làm việc của chỉnh lưu cầu một pha 1.3.6. Chỉnh lưu ba pha hình tia [hình 1.2c] Chỉnh lưu dạng này có đặc điểm tương tự như chỉnh lưu tia một pha: cần có biến áp nguồn để có điểm trung tính đưa ra tải, công suất máy biến áp này lớn hơn công suất một chiều 1,35 lần, tuy nhiên sụt áp trong mạch van nhỏ nên thích hợp với phạm vi điện áp làm việc thấp. Vì sử dụng nguồn ba pha nên cho phép nâng công suất tải lên nhiều [đến vài trăm Ampe], mặt khác độ đập mạch của điện áp ra sau mạch chỉnh lưu giảm đáng kể nên kích thước bộ lọc cũng nhỏ đi. Hình 1.8 là đồ thị làm việc với các dạng tải. Có một số lưu ý sau: - Điểm tính góc điều khiển các van không phải qua 0 của điện áp nguồn, mà chậm pha hơn một góc 300 điện, tương ứng với điểm giao nhau của điện áp pha nguồn. Xung

điều khiển các van lệch nhau 1/3 chu kỳ, tức 1200 điện. - Giá trị Ud0 = 1,17U2. - Với tải thuần trở có đồ thị hình 1.8a, có thể là: • Dòng tải gián đoạn khi α > 300 với quy luật điều chỉnh: 1 + cos[α +300 ] U dα = U do

• Dòng tải liên tục khi α < 300 với quy luật điều chỉnh: U dα = U do cosα

CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

- Với tải RL hay RLE [hình 1.8b] các quy luật tương tự như chỉnh lưu hình tia hai pha

Tải thuần trở [dòng tải gián đoạn]

Tải RL hoặc RLE [dòng tải liên tục]

Hình 1.8. Đồ thị làm việc của chỉnh lưu hình tia ba pha 1.3.7. Chỉnh lưu cầu ba pha [hình 1.2e] Đây là loại được sử dụng nhiều nhất trong thực tế. Ưu điểm:

- Cho phép đấu thẳng vào lưới điện ba pha; - Hệ số đập mạch rất nhỏ [5,7%]; - Công suất máy biến áp cũng xấp xỉ công suất tải, đồng thời gây méo lưới điện ít hơn các loại trên. Nhược điểm: sụt áp trên van gấp đôi sơ đồ hình tia vì luôn có hai van dẫn để đưa dòng ra tải, nên sẽ không phù hợp với cấp điện áp ra tải dưới 10V. Do có nhiều ưu điểm vượt trội như đã nêu, chỉnh lưu cầu ba pha được ứng dụng rộng rãi với dải công suất rất rộng, từ nhỏ đến hàng nghìn kW. Mạch van được đấu thành hai nhóm: nhóm van đánh số lẻ đấu chung katot, nhóm van đánh số chăn đấu chung anot. Để điều khiển van, cần tuân thủ một số quy luật sau [xem hình 1.9]: CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

- Với thyristor của nhóm đấu katot chung, điểm mốc để tính góc điều khiển là điểm giao nhau của các điện áp pha nguồn khi chúng ở nửa chu kỳ điện áp dương. - Với thyristor của nhóm anot chung, điểm mốc để tính góc điều khiển là điểm giao nhau của các điện áp pha nguồn khi chúng ở nửa chu kỳ điện áp âm.

Góc điều khiển và dạng xung mở van

Đồ thị dòng điện

Hình 1.9. Đồ thị làm việc của chỉnh lưu cầu ba pha - Xung điều khiển được phát lần lượt theo đúng thứ tự đánh số từ T1 đến T6 cách nhau 600 điện, còn trong mỗi nhóm thì xung phát cách nhau 1200.

- Để thông mạch điện tải cần hai van cùng dẫn, trong đó mỗi nhóm phải có một van tham gia, do đó hai van có thứ tự cạnh nhau phải được phát xung cùng lúc. Vì vậy dạng xung là xung kép: xung thứ nhất được xác định theo góc điều khiển cần có, xung thứ hai là đảm bảo điều kiện thông mạch, thực tế là xung của van khác gửi đến: ví dụ xung ig của van T1 đồng thời gửi đến van T6, sau đó đến lần lượt xung của T2 sẽ gửi đến van T1… Qui luật điều chỉnh: - Giá trị Udo=2,34U2. - Với tải thuần trở [đồ thị 1.9a], có thể là: • Dòng điện tải gián đoạn khi α > 600 với quy luật điều chỉnh: U dα = U do 1 + cos[α +600 ] 

• Dòng tải liên tục khi α < 600 với quy luật điều chỉnh: U dα = U do cosα CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

- Với tải RL hay RLE [hình 1.9b ở đó không vẽ ảnh hưởng của trùng dẫn] các quy luật tương tự như chỉnh lưu hình tia hai pha. 1.3.8. Chỉnh lưu bán điều khiển [hình 1.2h, i, k] Chỉ sơ đồ cầu có loại mang tên “bán điều khiển”, trong đó một nửa số van là điều khiển [thyristor], nửa còn lại dùng van không điều khiển [diode].

Sơ đồ thyristor mắc thẳng hàng

Sơ đồ thyristor mắc katot chung

Hình 1.10. Đồ thị làm việc của chỉnh lưu bán điều khiển một pha Chỉnh lưu bán điều khiển có ưu điểm: - Đơn giản hơn cả về lực và điều khiển. - Cho phép đấu trực tiếp mạch điều khiển với mạch lực khi các thyristor chung katot - Giá thành rẻ hơn. - Tiết kiệm năng lượng hơn [hệ số cosφ cao hơn chỉnh lưu điều khiển]. Điều này là do có nhưng giai đoạn làm việc, dòng tải sẽ chảy quẩn qua hai van mắc thẳng hàng mà không về nguồn, tức là năng lượng được giữ trong tải mà không mất về nguồn. Trên đồ CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

thị đó là các giai đoạn mà nếu với chỉnh lưu điều khiển thì điện áp bằng 0, do các van thẳng hàng dẫn làm ngắn mạch đầu ra.

âm, còn ở đây lại

Nhược điểm chung của loại này là: - Không thực hiện được quá trình nghịch lưu; - Không ứng dụng được cho tải phải đảo chiều dòng tải [chỉnh lưu đảo chiều]. Trong thực tế chỉnh lưu bán điều khiển khá thông dụng cho các ứng dụng không đòi hỏi đảo chiều dòng điện tải như các bộ điều chỉnh tốc độ cho động cơ điện một chiều, bộ nạp acquy tự động… Cần lưu ý rằng khi tính toán thiết kế, chỉnh lưu bán điều khiển được lấy theo tham số của chỉnh lưu điều khiển [dùng tất cả van là thyristor] cùng loại mà không có bảng

tham số riêng. Chỉnh lưu bán điều khiển thường làm việc ở chế độ dòng điện liên tục và có chung qui luật điều chỉnh dạng: 1 + cosα U dα = U do

Luật phát xung điều khiển cho cầu bán điều khiển một pha tương tự cầu điều khiển một pha. Hình 1.10 là đồ thị minh họa cho chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển với tải RL hoặc RLE khi dòng tải là liên tục. Khoảng ngắn mạch đầu ra ở sơ đồ 1.10a là khi các diode D1, D2 cùng dẫn, còn trong sơ đồ 1.10b là khi T1D1 hay T2D2 dẫn. Với loại ba pha thì luật phát xung điều khiển thyristor mạch bán điều khiển khác mạch điều khiển, mặc dù mốc tính góc điều khiển thì vẫn tương tự nhau. Ở đây không cần xung kép mà chỉ dùng xung đơn là được, do các diode tự động dẫn ngay khi thyristor dẫn. Hình 1.11 là đồ thị minh họa hoạt động của sơ đồ này với dạng tải RL hoặc RLE và trong chế độ dòng điện liên tục. Các thyristor thay nhau dẫn theo thứ tự, và các diode cũng vậy. Ta thấy vẫn có những giai đoạn mà hai van thẳng hàng dẫn, làm ngắn mạch đầu ra: T1D1, T2D2, T3D3. Có một điểm cần lưu ý trên đồ thị ud điện áp ra chỉ có ba lần đập mạch, chứ không phải sáu lần như cầu điều khiển, do đó độ bằng phẳng điện áp ud của bán điều khiển kém hơn.

CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

Hình 1.11. Đồ thị của chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển [dòng liên tục]

Trong thực tế, để có thể lấy được các ưu điểm của chỉnh lưu bán điều khiển, đôi khi người ta đấu song song đầu ra chỉnh lưu điều khiển một diode D0 [xem hình 1.2a] gọi là diode đệm, tác dụng của diode này làm cho mạch hoạt động tương tự như chỉnh lưu bán điều khiển. 1.4. YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI MẠCH ĐIỀU KHIỂN Mạch điều khiển [MĐK] chỉnh lưu cần thực hiện các nhiệm vụ chính sau: 1. Phát xung điều khiển [ xung để mở van ] đến các van lực theo đúng pha và với góc điều khiển α cần thiết. 2. Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển αmin ÷ αmax tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải của mạch lực. 3. Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải yêu cầu như chế độ khởi động, chế độ nghịch lưu, các chế độ dòng điện liên tục hay gián đoạn, chế độ hãm hay đảo chiều điện áp v.v... 4. Có độ đối xứng xung điều khiển tốt , không vượt quá 1 ÷ 3 độ điện, tức là góc điều khiển với mọi van không được lệch quá giá trị trên. 5. Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động cả về giá trị điện áp và tần số. CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

6. Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt. 7. Độ tác động của mạch điều khiển nhanh , dưới 1ms 8. Thực hiện các yêu cầu về bảo vệ bộ chỉnh lưu từ phía điều khiển nếu cần như ngắt xung điều khiển khi sự cố, thông báo các hiện tượng không bình thường của lưới và bản thân bộ chỉnh lưu v.v... 9. Đảm bảo xung điều khiển

phát tới các van lực phù hợp để mở chắc chắn van, có nghĩa là phải thoả mãn các yêu cầu: + Đủ công suất [về điện áp và dòng điện điều khiển Uđk, Iđk]. + Có sườn xung dốc đứng để mở van chính xác vào thời điểm qui định, thường tốc độ tăng áp điều khiển phải đạt 10V/ µs, tốc độ tăng điều khiển 0,1A/ µs.

Hình 1.12. Các dạng xung điều khiển để kích mở van thyristor

+ Độ rộng xung điều khiển đủ cho dòng qua van kịp vượt trị số dòng điện duy trì Idt của nó, để khi ngắt xung van vẫn giữ được trạng thái dẫn. Thực tế độ rộng xung điều khiển cần cỡ trên 500µs là đảm bảo mở van với các dạng tải. + Có dạng phù hợp với sơ đồ chỉnh lưu và tính chất tải. Có bốn dạng xung điều khiển phổ biến là xung đơn, xung kép, xung rộng và xung chùm [hình 1.12]. 1.5. ĐẶC TÍNH ĐIỀU KHIỂN CỦA THYRISTOR 1.5.1. Đặc điểm vùng điều khiển GK của Thyristor Vùng giữa cực G [gate] và cực K [katot] là miền điều khiển mở thyristor: hình 1.13a là cấu trúc bán dẫn và hình 1.13b là ký hiệu. Quá trình trong van chia thành ba giai đoạn. Đặc điểm khi thyristor đang khóa Khi thyristor chưa dẫn dòng điện [Ia=0], miền điều khiển GK có thế thay thế bằng sơ đồ hình 1.30c và có đặc tính dạng parabol [đường 1, hình 1.30d]. Trong đó Rg đặc trưng cho điện trở dọc theo lớp bán dẫn p2, Rs đặc trưng cho điện trở xuyên ngẫu nhiên giữa GK [gọi là hiệu ứng shunt emiter], trị số Rg, Rs phụ thuộc cụ thể vào từng loại CEA TĐH-NĐ

V1.0/2015

Bài Viết Liên Quan

Toplist mới

Bài mới nhất

Chủ Đề