41

II- CHƯƠNG II II.1. Mục tiêu, nhiệm vụ.

- Mục tiêu: Giới thiệu về bộ biến đổi xoay chiều-một chiều (chỉnh lưu), trong chương này sau phần lý thuyết chung thì tài liệu tập trung giải quyết nguyên lý hoạt động của một số sơ đồ mạch động lực chỉnh lưu thường gặp trong thực tế, đưa ra một số biểu thức cơ bản cho mỗi sơ đồ trong một số chế độ nhất định. Phần tiếp theo là mạch điều khiển, tài liệu đã nêu một cách tổng quát về mạch điều khiển ghép bởi các phần tử bán dẫn rời và các vi mạch khuếch đại thuật toán, bởi vì đây cũng là cơ sở cho các vi mạch điều khiển tổ hợp. Tiếp theo là giới thiệu về hàm truyền đạt bộ chỉnh lưu và cuối cùng là các bảo vệ cần thiết của sơ đồ chỉnh lưu.

II.2. Quy định hình thức học cho mỗi nội dung nhỏ

Tuần 2

Chương II: Chỉnh lưu điều khiển – bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều II.1.Tổng quan về bộ chỉnh lưu điều khiển II.1.1.Sơ đồ nối dây II.1.2.Dòng và áp của bộ chỉnh lưu và tải II.1.3.Các chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu II.1.4.Bộ chỉnh lưu làm việc với đi ốt không DoII.1.5.Quá trình chuyển mạch

Giảng

1,2,3,4,5

Tuần 3

II.1.6.? nh hưởng của bộ chỉnh lưu đến lưới điện II.2.Phân tích khảo sát các sơ đồ chỉnh lưu điều khiển II.2.1.Các sơ đồ chỉnh lưu hình tia II.2.1.1.Sơ đồ hình tia 1 pha II.2.1.2.Sơ đồ hình tia 2 pha

Giảng

1,2,3,4,5

Tuần 4 Thảo luận + Bài tập chương 1 Thảo luận

Tuần 5

II.2.1.3.Sơ đồ hình tia 3 pha II.2.1.4.Sơ đồ hình tia 6 pha II.2.2.Các sơ đồ chỉnh lưu hình cầu II.2.2.1.Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha II.2.2.2.Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha II.3.Các bộ chỉnh lưu mắc song song ngược để đảo chiều điện áp cho tải II.3.1.Khái niệm chung II.3.2.Các phương pháp khống chế

Giảng

1,2,3,4,5

Tuần 6

II.4.Các phương pháp tạo xung điều khiển II.4.1.Tổng quan về mạch tạo xung điều khiển II.4.2.Mạch tạo xung theo pha đứng II.4.3.Mạch tạo xung theo pha ngang II.4.4.Mạch tạo xung dùng điốt hai cực gốc (Tranzitor 1 tiếp giáp - UJT) II.5.Tính chất điều khiển của bộ chỉnh lưu II.6.Bảo vệ bộ chỉnh lưu II.6.1.Bảo vệ sự cố II.6.2.Bảo vệ khi làm việc

Giảng

1,2,3,4,5

II.3. Các nội dung cụ thể A. Nội dung lý thuyết

42

CHƯƠNG 2 CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN

(Bộ biến đổi xoay chiều - một chiều) II.1 TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN Trong kỹ thuật điện rất nhiều trường hợp yêu cầu phải biến đổi một nguồn điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều và điều chỉnh được giá trị của điện áp một chiều đầu ra. Để thực hiện việc này người ta có nhiều cách khác nhau, ví dụ như dùng tổ hợp động cơ - máy phát, dùng bộ biến đổi một phần ứng, dùng chỉnh lưu, v.v… Nhưng phổ biến nhất và có hiệu suất cao nhất là sử dụng các sơ đồ chỉnh lưu bằng các dụng cụ bán dẫn. Các sơ đồ chỉnh lưu (các bộ biến đổi xoay chiều-một chiều) là các bộ biến đổi ứng dụng tính chất dẫn dòng một chiều của các dụng cụ điện tử hoặc bán dẫn để biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều một cách trực tiếp. Hiện nay các dụng cụ điện tử hầu như không còn được sử dụng trong các sơ đồ chỉnh lưu vì kích thước lớn, hiệu suất thấp. Dụng cụ sử dụng chủ yếu trong các sơ đồ chỉnh lưu hiện nay là các thyristor và các diode bán dẫn. Các sơ đồ chỉnh lưu có nhiều dạng khác nhau và được ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau, ví dụ như dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều; cung cấp điện áp một chiều cho thiết bị mạ điện, điện phân; cung cấp điện áp một chiều cho các thiết bị điều khiển, các đèn phát trung tần và cao tần, v.v... Các sơ đồ chỉnh lưu được sử dụng từ công suất rất nhỏ đến công suất rất lớn. II.1.1 Sơ đồ nối dây Có hai loại sơ đồ nối dây các bộ chỉnh lưu là: Sơ đồ nối dây hình tia và sơ đồ nối dây hình cầu. II.1.1.1. Sơ đồ nối dây hình tia Hình 2.1 là các sơ đồ chỉnh lưu hình tia tổng quát. Hình 2.1a là sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối Cathode chung, còn hình 2.1b là sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối anode chung. Trong các sơ đồ này:

− u1,u2,...,um: là hệ thống điện áp xoay chiều (thường là hình sin) m pha. − T1,T2,...,Tm: là m van chỉnh lưu có điều khiển (thyristor), trong các sơ đồ chỉnh

lưu không điều khiển thì các van là diode. − Ld, Rd,, Ed: là điện trở, điện cảm, sức điện động (s.đ.đ) phụ tải một chiều. − ud, id: là điện áp và dòng điện chỉnh lưu tức thời trên phụ tải một chiều, chiều

qui ước của id lấy trùng với chiều thực của dòng qua tải, còn chiều qui ước của ud lấy trùng với chiều qui ước của dòng tải id.

− Điểm O là trung tính nguồn xoay chiều.

43

Ed

Ld

Rd

id

TmT2T1

umu2u1

ud

∼ ∼∼

O

A

Ed

Ld

Hình 2.1b: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối anode chung

Hình 2.1a: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối katôt chung

Rd

TmT2T1

umu2u1 id

ud

∼ ∼ ∼ O

K

Đặc điểm chung của các sơ đồ chỉnh lưu hình tia là: − Số van chỉnh lưu bằng số pha nguồn xoay chiều. − Các van có một điện cực cùng tên nối chung, điện cực còn lại nối với nguồn

xoay chiều. Nếu điện cực nối chung là Cathode thì sơ đồ được gọi là sơ đồ Cathode chung, còn nếu điện cực nối chung là anode ta có sơ đồ anode chung. Điểm nối chung của các van là một trong hai điện cực của điện áp chỉnh lưu.

− Hệ thống điện áp nguồn xoay chiều m pha phải có điểm trung tính, trung tính nguồn là điện cực còn lại của điện áp chỉnh lưu.

II.1.1.2. Sơ đồ nối dây hình cầu Trên hình 2.2 là các sơ đồ chỉnh lưu mắc theo sơ đồ cầu. Hình 2.2a là sơ đồ dạng tổng quát với số pha m ≥ 3, hình 2.2b là sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha. Các phần tử trên các sơ đồ:

Hình 2.2b: Sơ đồ chỉnh lưu hìnhcầu 1 pha

Hình 2.2a: Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu m pha (m ≥ 3)

K

O

T4

T2

T2m-1T2m

T3

T1

umu2u1

ud

A

∼ ∼ ∼

Ed Ld Rdid

u

T4

T2

T3

T1

ud

∼

Ed Ld Rd id

− u1,u2,... um: là hệ thống điện áp xoay chiều (thường là hình sin) m pha, u là điện áp xoay chiều một pha.

− T1,T2,...,T2m: là các van chỉnh lưu có điều khiển (thyristor).

− R

44

Ed

Hình 2.3a

Ld

Rd

DmD2D1

umu2u1 id

ud

∼ ∼ ∼

O

K

d, L Ed, d: là điện trở, điện cảm, s.đ.đ. phụ tải (Ed còn được gọi là s.đ.đ. ngược hay sức phản điện động).

− ud,id: là điện áp và dòng tải tức thời,qui ước chiều giống như sơ đồ hình tia. − Các đặc điểm chung của sơ đồ chỉnh lưu hình cầu m pha: − Số van chỉnh lưu trong sơ đồ bằng 2 lần số pha, trong đó có m van có Cathode

nối chung được gọi là nhóm van Cathode chung và trên sơ đồ ta ký hiệu bởi chỉ số lẻ, m van còn lại có anode nối chung nên được gọi là nhóm van anode chung và trên sơ đồ ta ký hiệu bằng chỉ số chẵn.

− Mỗi pha nguồn xoay chiều nối với 2 van, một ở nhóm Cathode chung và một ở nhóm anode chung.

− Điểm nối chung của các van nhóm Cathode chung (K), nhóm van anode chung (A) là 2 điện cực của điện áp ra.

II.1.1.3. Nguyên lý làm việc a/- Nguyên lý làm việc của sơ đồ chỉnh lưu hình tia

Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu là không điều khiển (hình 2.3a)

Để đơn giản cho việc nghiên cứu nguyên lý làm việc của sơ đồ chỉnh lưu, trước tiên ta xét với sơ đồ không điều khiển và nghiên cứu loại sơ đồ các van nối Cathode chung (hình 2.3a).

Trong sơ đồ này ta đã thay các thyristor ở sơ đồ hình 2.1a bằng các diode từ D1 đến Dm.

Qua nghiên cứu người ta nhận thấy rằng: Ở chế độ dòng qua tải là liên tục và bỏ qua quá trình chuyển mạch thì ở một thời điểm bất kỳ khi bộ chỉnh lưu đang làm việc trong sơ đồ luôn có một van dẫn dòng, đó là van nối với pha có điện áp dương nhất. Mặt khác như đã biết với hệ thống điện áp xoay chiều m pha thì trong thời gian một chu kỳ nguồn mỗi pha sẽ lần lượt dương nhất trong khoảng thời gian bằng 1/m chu kỳ, do vậy mà mỗi van trong sơ đồ sẽ dẫn dòng một khoảng bằng 1/m chu kỳ trong thời gian một chu kỳ nguồn. Ta giả thiết rằng sụt điện áp trên diode hoặc thyristor mở (dẫn dòng) bằng không. Như vậy thời điểm mà điện áp trên van bằng không và có xu hướng chuyển sang dương là thời điểm van (diode) bắt đầu mở, thời điểm mà diode trong sơ đồ chỉnh lưu bắt đầu mở được gọi là thời điểm mở tự nhiên đối với van trong sơ đồ chỉnh lưu.

Thời điểm mở tự nhiên đối với van trong sơ đồ chỉnh lưu các van nối Cathode chung chậm sau thời điểm điện áp của pha nối van bằng không và bắt đầu chuyển sang dương một góc độ điện bằng ψ0, với ψ0 được xác định như sau:

= π/2-π/m ψ0

Mỗi diode trong sơ đồ bắt đầu mở tại thời điểm mở tự nhiên và sẽ khoá tại thời điểm mở tự nhiên của van tiếp theo. Điện áp chỉnh lưu sẽ lặp lại m lần giống nhau trong một chu kỳ nguồn xoay chiều.

Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối anode chung, khi sơ đồ làm việc ở chế độ dòng liên tục và bỏ qua chuyển mạch thì tại một thời điểm bất kỳ trong sơ đồ có một van mắc với pha có điện áp âm nhất dẫn dòng. Thời điểm mở tự

nhiên đối các van trong sơ đồ này chậm sau thời điểm điện áp của pha mắc với van bằng không và bắt đầu chuyển sang âm một góc độ điện cũng bằng ψ . 0

Trường hợp chỉnh lưu có điều khiển (hình 2.3b) Trong trường hợp này các van chỉnh lưu là các thyristor (T

Hình 2.3b

Ed

Ld

Rd

TmT2T1

umu2u1 id

ud

∼ ∼ ∼ O

K

45

1,T2,...,Tm). Như đã biết, để một thyristor có thể chuyển từ trạng thái khoá sang trạng mở thì cần phải có đủ hai điều kiện:

− Điện áp giữa anode và Cathode phải dương (thuận).

− Có tín hiệu điều khiển đặt vào điện cực điều khiển và Cathode của van (nói tắt là có tín hiệu điều khiển). Do đặc điểm vừa nêu mà trong sơ đồ này

ta có thể điều khiển được thời điểm mở của các van trong một giới hạn nhất định. Cụ thể là, trong khoảng thời gian van có điều kiện mở thứ nhất là có điện áp thuận (từ thời điểm mở tự nhiên đối với van cho đến sau thời điểm này một nửa chu kỳ), ta cần mở van ở thời điểm nào thì ta truyền tín hiệu điều khiển đến van ở thời điểm đó và điều này được thực hiện với tất cả các van trong sơ đồ. Như vậy nếu ta truyền tín hiệu điều khiển đến van chậm sau thời điểm mở tự nhiên một góc độ điện bằng α thì tất cả các van trong sơ đồ sẽ mở chậm so với thời điểm mở tự nhiên một góc độ điện là α và đường cong điện áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều sẽ khác so với sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển (các van mở tại thời điểm mở tự nhiên đối với van), do vậy giá trị trung bình (thành phần một chiều) của điện áp chỉnh lưu sẽ thay đổi. Mặt khác khi thay đổi giá trị của α thì dạng và giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu cũng thay đổi theo. Vậy ta có thể thay đổi được thành phần một chiều của điện áp trên tải nhờ thay đổi thời điểm mở van, tức là thay đổi giá trị góc α. Trong sơ đồ chỉnh lưu thì giá trị góc mở chậm của van α được gọi là góc điều khiển của sơ đồ chỉnh lưu. Từ các điều kiện mở của van đã nêu trên ta thấy rằng: muốn van mở được khi có tín hiệu điều khiển thì thời điểm truyền tín hiệu điều khiển đến van phải nằm trong khoảng điện áp trên van là thuận,có nghĩa rằng: 1800 > α ≥ 00 0. Trường hợp sơ đồ làm việc với α = 0 tương đương với trường hợp sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển.

Sự làm việc của sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối anode chung cũng hoàn toàn tương tự, chỉ khác là thời điểm mở tự nhiên của các van trong sơ đồ này xác định khác với sơ đồ các van nối Cathode chung. b/- Nguyên lý làm việc sơ đồ cầu

Trường hợp sơ đồ không điều khiển: Từ kết cấu của sơ đồ chỉnhlưu hình cầu ta có nhận xét:

Để có dòng qua phụ tải thì trong sơ đồ phải có ít nhất 2 van cùng dẫn dòng, một van ở nhóm Cathode chung còn van kia ở nhóm anode chung. Vậy, với giả thiết là sơ đồ làm việc ở chế độ dòng liên tục và bỏ qua quá trình chuyển mạch thì khi bộ chỉnh lưu cầu m pha làm việc, ở một thời điểm bất kỳ trong sơ đồ luôn có 2 van dẫn dòng: một van ở nhóm Cathode chung nối với pha đang có điện áp dương nhất và một van ở nhóm anode chung nối với pha đang có điện áp âm nhất. Thời điểm mở tự nhiên đối các van nhóm Cathode chung xác định giống như các van trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia cùng số pha các van nối Cathode chung, còn thời điểm mở tự nhiên đối với các van nhóm anode chung thì xác định như đối với các van trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia

46

cùng số pha các van nối anode chung. Với đặc điểm làm việc của sơ đồ chỉnh lưu hình cầu người ta nhận thấy rằng: Trong một chu kỳ nguồn xoay chiều mỗi van cũng dẫn dòng một khoảng thời gian bằng 1/m chu kỳ như ở sơ đồ hình tia, sự chuyển mạch dòng từ van này sang van khác chỉ diễn ra với các van trong cùng một nhóm và độc lập với nhóm van kia; trong một chu kỳ nguồn xoay chiều điện áp chỉnh lưu lặp lại q lần giống nhau, với q = 2m khi m lẻ và q = m khi m chẵn.

Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển (hình 2.4)

47

Với sơ đồ chỉnh lưu cầu, để điều khiển điện áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều người ta cũng thực việc điều khiển cho các van trong sơ đồ mở chậm hơn thời điểm mở tự nhiên một góc độ điện bằng α nhờ sử dụng tín hiệu điều khiển giống như ở sơ đồ hình tia. Giới hạn thay đổi lớn nhất của góc điều khiển α là từ 00 đến 1800. II.1.2 Dòng và áp của bộ chỉnh lưu và tải II.1.2.1 Dòng điện chỉnh lưu trên phụ tải một chiều Từ mục trên ta thấy rằng dạng đường cong điện áp chỉnh lưu lặp đi lặp lại q lần trong một chu kỳ nguồn xoay chiều, do vậy ở chế độ xác lập thì dòng qua tải cũng sẽ lặp đi lặp lại q lần (với q = m khi sơ chỉnh lưu là hình tia hoặc sơ đồ cầu có số pha m là chẵn, q = 2m khi sơ đồ chỉnh lưu là hình cầu với số pha m là lẻ). Qua đây chúng ta thấy rằng để biết dòng và áp trên tải ở chế độ xác lập ta chỉ cần biết dòng và áp trên tải trong một khoảng thời gian bằng một lần lặp lại (bằng 1/m chu kỳ hay qui ra góc độ điện bằng 2π/q). Để xác định dòng và áp trên tải ta dựa vào sơ đồ thay thế bộ chỉnh lưu trong một khoảng làm việc của 1 van như hình2.5.

K

O

T4

T2

T2m-1T2m

T3

T1

umu2u1

ud

A

∼ ∼ ∼

Ed Ld Rd

Hình 2.4 id

Rd

Ed

Ld

∼

T ud

u

id

Hình 2.5

Trong sơ đồ thay thế này ta có: − u: là tổng đại số điện áp nguồn xoay chiều tác động trong mạch vòng nối với

các van đang dẫn dòng trong sơ đồ ở giai đoạn xét,trong sơ đồ hình tia ở một thời điểm chỉ có một van làm việc nên u sẽ là điện pha, với sơ cầu ở một thời điểm có 2 van mắc với hai pha khác nhau cùng làm việc nên u sẽ là điện áp dây. Nếu ta chọn mốc thời gian xét t = 0 (ωt = 0) là thời điểm bắt đầu mở một van trong sơ đồ thì: u = Um.sin (ωt+ψ) (2-1a) Trong đó Um là biên độ điện áp pha nguồn xoay chiều nếu sơ đồ chỉnh lưu là hình tia hoặc là biên độ điện áp dây nếu sơ đồ chỉnh lưu là chỉnh lưu là hình cầu (V), ω là tần số góc của nguồn điện xoay chiều (rad), t là thời gian xét (s), ψ là góc pha đầu và được xác định: ψ = π/2-π/q + α (2-1b) Còn T đặc trưng các van đang dẫn dòng, ở sơ đồ tia là 1 van còn sơ đồ cầu có 2 van dẫn dòng nối tiếp nhau. ở đây T chỉ có ý nghĩa là dòng trong sơ đồ chỉ được phép đi theo một chiều là chiều thực của dòng qua T, còn sụt điện áp trên T đã được bỏ qua.

− E L Rd, d, d: là các phần tử phụ tải. − ud, id: là điện áp và dòng điện trên tải.

Viết phương trình cân bằng điện áp trong sơ đồ hình 2.5 ta có

dmddd EtUdtdiLiR −+=+ )sin(. ψω

(2-2)

Để giải phương trình này ta đặt:

48

ε=Ed/U i*=im; d/Im=id.Rd/Um; τ=Ld/Rd (2-3) Thế (2-3) vào (2-2) ta được:

i* +τ.di*/dt=sin (ωt+ψ) - ε (2-4) Đây là phương trình vi phân tuyến tính đối với dòng tải dạng tương đối.Giải

phương trình này với điều kiện đầu là: i* * (ωt = 0) = i 0 ta được:

sin[ -arctg( )] sin[ -arctg( )]* * / i { i - } { - }0 2 21 ( ) 1 ( )

tteψ ωτ ω ψ ωττε εωτ ωτ

+−= + −+ +

(2-5)

Biểu thức (2-5) là biểu thức tổng quát dùng để xác định dòng điện tương đối qua phụ tải một chiều (i*), từ đây khi sử dụng (2-3) sẽ tìm được id. Biểu thức này xác định trong khoảng từ ωt = 0 đến ωt = 2π/q.

Tuỳ thuộc vào đặc tính phụ tải, dạng sơ đồ, giá trị góc điều khiển mà xẩy ra một số chế độ làm việc khác nhau:

− Nếu trong toàn bộ thời gian làm việc mà id > 0 ta có chế độ dòng điện tải liên tục.

− Nếu trong một chu kỳ làm việc mà dòng tải có q khoảng bằng không và q khoảng khác không ta có chế độ dòng điện tải gián đoạn.

− Chế độ trung gian (giới hạn) giữa 2 chế độ nêu trên được gọi là chế độ dòng điện biên liên tục.

Chú ý: Khi dùng (2-5) nếu tính được i* có giá trị âm trong một khoảng nào đó ở thời gian xét thì trong khoảng đó ta lấy i*=0,vì dòng điện trong mạch chỉ được phép đi theo một chiều nên không âm. a/- Chế độ dòng tải gián đoạn Điều này sẽ xẩy ra với tải là điện trở thuần khi α lớn trong sơ đồ 1 hoặc 2 pha và ngay cả sơ đồ 3 pha, hoặc khi tải có L hữu hạn mà Ed d lớn hoặc α lớn,... Khi đó, tại thời điểm ta bắt đầu mở một van thì dòng qua tải đang bằng không, tức là i*

0=0. Vậy biểu thức dòng tải dạng tương đối lúc này là:

sin[ -arctg( )] sin[ -arctg( )]* /i { - } { -2 21 ( ) 1 ( )

tte }ψ ωτ ω ψ ωττε εωτ ωτ

+−= −+ +

(2-6)

Khi nghiên cứu bộ chỉnh lưu ở chế độ dòng điện gián đoạn người ta gọi khoảng thời gian tồn tại một xung dòng tải qui ra góc độ điện là góc dẫn của van và ký hiệu là λ. b/- Dòng điện tải khi phụ tải R - Ed d (khi Ld = 0)

-t/τKhi Ld = 0, ta có: τ = 0, nên e = 0. Vậy dòng tương đối trên tải: i*= sin (ωt +ψ) - ε (2-7)

c/- Dòng điện tải ở chế độ dòng biên liên tục Khi sơ đồ làm việc ở chế độ này thì đường cong dòng điện có q điểm bằng không trong một chu kỳ nguồn xoay chiều. Những điểm dòng tải bằng không là những điểm bắt đầu mở một van trong sơ đồ, vậy trong trường hợp này i*

0 = 0 và ta cũng có thể dùng biểu thức (2-6) để xác định dòng tải, tuy nhiên trong trường hợp này thì góc dẫn của van λ = 2π/q. Khi thay ωt = 2π/q vào (2-6) và cho i* = 0 ta tìm được giá trị giới hạn của s.đ.đ để sơ đồ có thể chuyển từ chế độ dòng gián đoạn sang liên tục và ngược lại, ta có:

2 /sin[2 / ( )] sin[ ( )]2 / 2(1 ). 1 ( )

qq arctg arctg egh qe

π ωτπ ψ ωτ ψ ωτεπ ωτ ωτ

−+ − − −=−− +

(2-8)

d/- Dòng tải ở chế độ dòng liên tục Khi sơ đồ chỉnh lưu đã làm việc ở chế độ xác lập mà dòng tải liên tục thì do tính chất lặp đi lặp lại mang tính chu kỳ với chu kỳ lặp lại bằng 1/q lần chu kỳ nguồn xoay chiều nên dòng tải khi ωt = 2π/q cũng bằng dòng tải tại ωt = 0, tức là bằng i*

0.

49

Thay ωt = 2π/q vào (2-5) ta tìm được i*0:

2 /sin[2 / ( )] sin[ ( )]*0 2 / 2(1 ). 1 ( )

qq arctg arctg eiqe

π ωτπ ψ ωτ ψ ωτ επ ωτ ωτ

−+ − − −= −−− +

(2-9)

Thế (2-9) vào (2-5) và biến đổi ta được: /{sin[2 / ( )] sin[ ( )]} sin[ ( )]*

2 / 2 2(1 ). 1 ( ) 1 ( )

tq arctg arctg e t arctgiqe

τπ ψ ωτ ψ ωτ ω ψ ωτ επ ωτ ωτ ωτ

−+ − − − + −= +−− + +

− (2-10)

Đây là biểu thức dòng tải dạng tương đối ở chế độ dòng liên tục. Trường hợp khi Ld=∞

Trong trường hợp này ta tìm dòng điện tương đối bằng cách lấy giới hạn i* khi cho Ld tiến đến ∞ (vô cùng), giá trị i* lúc này được ký hiệu là I*:

sin(2 / /2) sin( /2) 2sin( / ).cos( / /2)* *lim2 / 2 /

q qI iq q

qπ ψ π ψ π π π ψ πε εωτ π π+ − − − + −= = − =→∞ −

* .sin .cosqIqπ α ε

π⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

→ = − (2-11)

Từ biểu thức (2-11) ta thấy rằng: dòng qua tải khi Ld=∞ không phụ thuộc vào thời gian. Nếu chú ý rằng dòng qua phụ tải bộ chỉnh lưu gồm hai thành phần: một thành phần không đổi không phụ thuộc thời gian là thành phần một chiều hay giá trị trung bình và một thành phần biến đổi theo thời gian là thành phần xoay chiều thì dòng tải trong trường hợp này đúng bằng giá trị trung bình dòng chỉnh lưu, ta ký hiệu là Id. Id= (Um. (q/π).sin(π/q) .cosα - Ed)/Rd (2-12) II.1.2.2 Điện áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều Có hai khái niệm về điện áp chỉnh lưu là:

Điện áp chỉnh lưu tức thời (ký hiệu là ud) trong khoảng thời gian xét đã nêu ta có:

o Ở chế độ dòng tải gián đoạn: * ud = u khi i > 0 (tức là khi i > 0): từ ωt=0 đến ωt =λ d

ud = Ed trong khoảng dòng tải bằng không từ ωt=λ đến ωt =2π/q o Ở chế độ dòng tải liên tục: ud = u trong toàn khoảng xét.

Điện áp chỉnh lưu trung bình, đây chính là thành phần một chiều của điện áp chỉnh lưu, nó được tính theo biểu thức:

∫=q

tdtduqdU/2

0)().()2/(

πωωπ

(2-13) Trường hợp dòng tải gián đoạn:

)](.)()sin()[2/(/2

0

tdEtdtUqUq

dmd ωωψωππ

λ

λ

∫∫ ++= (2-14)

Trường hợp dòng tải liên tục:

ααππ

ωψωππ

cos.cos.sin..)()sin()2/(0

/2

0dm

q

md Uq

UqtdtUqU =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=+= ∫

(2-15) II.1.3. Các chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu

Chế độ nghịch lưu của chỉnh lưu có điều khiển Khi nghiên cứu sự làm việc của sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển người ta nhận thấy trong một số điều kiện nhất định bộ chỉnh lưu thực hiện quá trình biến đổi năng lượng ngược với chế độ chỉnh lưu bình thường, lúc đó bộ chỉnh lưu thực hiện biến đổi điện năng một chiều bên phía phụ tải thành điện năng xoay chiều và chuyển trả cho nguồn cung cấp xoay chiều. Chế độ làm việc này của sơ đồ chỉnh lưu được gọi là chế độ nghịch lưu của chỉnh lưu có điều khiển.

Nếu gọi công suất tiêu thụ trên phụ tải bộ chỉnh lưu là Pd, bỏ qua tổn thất phụ ta có:

50

Pd = Ud. Id Trong đó, Ud, Id: là giá trị trung bình của điện áp và dòng điện chỉnh lưu.

Khi sơ đồ làm việc ở chế độ chỉnh lưu ta có Pd > 0, phụ tải tiêu thụ công suất tác dụng do nguồn xoay chiều chuyển sang. Trong trường hợp bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu thì như đã nêu: phụ tải phát ra công suất tác dụng và nguồn xoay chiều lúc này thu công suất tác dụng, do vậy Pd < 0. Mặt khác, ta biết rằng dòng qua phụ tải bộ chỉnh lưu chỉ đi theo một chiều nên nếu có dòng qua tải thì Id không thể âm (tức Id luôn luôn > 0). Vậy muốn có Pd < 0 thì Ud <0, tức là điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu phải đổi dấu. Nếu giả thiết sơ đồ chỉnh lưu làm việc ở chế độ dòng liên tục ta có:

αcos.0dd UU =

Từ biểu thức này ta thấy rằng: Nếu 0 <α < π/2 thì Ud >0, sơ đồ làm việc ở chế độ chỉnh lưu. Nếu π/2<α < π thì Ud <0, sơ đồ làm việc ở chế độ nghịch lưu.

Vậy điều kiện thứ nhất để có chế độ nghịch lưu là: π/2<α < π . Mặt khác ta có Id = (Ud - Ed)/ Rd. Muốn có chế độ nghịch lưu thì tải phải phát ra

công suất tác dụng tức là Pd phải âm, và điều này có nghĩa là Id >0. Từ biểu thức trên ta suy ra (Ud - Ed) > 0, mà Ud < 0 nên Ed < 0 và |Ed| > |Ud| (*), tức là ta phải đảo cực tính của Ed so với qui ước và phải đảm bảo biểu thức (*).

Vậy điều kiện thứ hai để có chế độ nghịch lưu là: phải đảo chiều s.đ.đ. phụ tải Ed và đảm bảo quan hệ |Ed| > |Ud|.

Khi sơ đồ chỉnh lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu người đưa ra một đại lượng mới là góc điều khiển nghịch lưu hay gọi tắt là góc nghịch lưu và ký hiệu là β. Góc β được tính bằng khoảng thời gian từ thời điểm mở van đến thời điểm chậm sau thời điểm mở tự nhiên đối với van một góc bằng 1800 qui ra góc độ điện, vậy β =π - α

Chú ý: Từ đặc điểm làm việc cũng như bản chất của các thyristor người ta thấy rằng, để một thyristor đang dẫn dòng chuyển sang trạng thái khoá một cách chắc chắn thì sau khi dòng qua van giảm về bằng không ta phải duy trì một điện áp âm hoặc bằng không trong một khoảng thời gian nhất định thì van mới đảm bảo phục hồi được tính

chất điều khiển, có nghĩa rằng sau khoảng thời gian cần thiết như đã nêu ta có thể đặt điện áp thuận trong giới hạn cho phép lên van thì van cũng vẫn khoá nếu chưa có tín hiệu điều khiển. Khoảng thời gian cần thiết nêu trên được gọi là thời gian phục hồi tính chất điều khiển của van và ta ký hiệu là tk. Khi sơ đồ làm việc ở chế độ nghịch lưu nếu ta cho α = π thì khi dòng qua một van vừa bằng không (với giả thiết đang bỏ qua chuyển mạch → sẽ xét ở phần sau), điện áp trên van cũng bằng không và bắt đầu chuyển sang dương (thuận) tức là van không có thời gian phục hồi tính chất điều khiển và sẽ mở lại ngay. Sự tự mở lại của van vừa khoá kết hợp với việc trong sơ đồ đang có một van cùng nhóm dẫn dòng sẽ gây nên ngắn mạch và phá huỷ chế độ nghịch lưu, người ta gọi hiện tượng này là hiện tượng lật đổ nghịch lưu. Muốn cho sơ đồ làm việc bình thường ở chế độ nghịch lưu thì phải tạo ra khoảng thời gian cần thiết để van phục hồi tính chất điều khiển bằng cách giảm giá trị góc điều khiển cực đại và người ta thực hiện:

hay β < β < π/2, trong đó β = ωt

51

Hình 2.6

u1 iT1T1

u2 iT2

ud

∼

∼ T2

idRdLdEd

D0

π/2<α < αmax min min k (2-16) II.1.4 Chỉnh lưu điều khiển làm việc với diode không (D0) Từ nguyên lý làm việc của sơ đồ chỉnh lưu, người ta thấy rằng khi đưa điện cảm vào mạch tải để san phẳng dòng tải thì ở các góc điều khiển lớn điện áp chỉnh lưu tức thời có những khoảng âm. Điều đó nói lên rằng trong các khoảng thời gian đó thì tải phát ra công suất tác dụng và thực tế là điện cảm mạch tải giải phóng ra một năng lượng mà nó đã tích luỹ được trong giai đoạn điện áp chỉnh lưu tức thời dương. Một phần năng lượng tích luỹ trong Ld lúc này được chuyển vào cung cấp cho Rd và Ed, còn một phần chuyển trả cho nguồn xoay chiều. Vì Ld là hữu hạn nên năng lượng nó tích luỹ được cũng là hữu hạn, do vậy khi dòng tải nhỏ hoặc góc điều khiển quá lớn,… thì dòng điện qua tải sẽ không liên tục. Để khắc phục một phần người ta tìm cách sao cho không chuyển năng lượng tích luỹ trong Ld về nguồn mà chỉ dùng để duy trì dòng qua tải, lúc đó khả năng liên tục của dòng tải sẽ tốt hơn. Người ta thực hiện bằng cách mắc song song với tải một diode sao cho khi ud > 0 thì diode này bị đặt điện áp ngược. Diode này được gọi là diode không, ký hiệu là D0. Ví dụ sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha có diode không như hình 2.6.

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ chỉnh lưu có van không có thể tóm tắt như sau: Khi điện áp chỉnh lưu tức thời dương thì diode không bị đặt điện áp ngược. Khi điện áp chỉnh lưu tức thời có xu hướng chuyển sang âm thì diode không sẽ mở, diode không mở thì sụt áp trên nó giảm về bằng không. Điện áp trên D π/2 3π/2

3π/2π/2

0

0

ωt

π

iT2iT1

Id

Id

α α2π

ωt

π

iDo

α α 2π

ωt

3π/2 π/2 π

ud (nÐt ®Ëm)u2u1u

0

α α

2π

iT

Hình 2.7

là u0 Do=0, nên ud=0, do vậy điện áp trên van có điều khiển đang dẫn dòng ở giai đoạn trước sẽ chuyển sang âm vì điện áp của pha nguồn xoay chiều nối với van bắt đầu đổi dấu và van đó sẽ khoá lại. Trong thời gian D0 làm việc thì

u

52

d=0 và id = iDo. Đến thời điểm ta đưa tín hiệu điều khiển mở van có điều khiển tiếp theo trong sơ đồ thì ud >0 và uDo=-ud<0, D0 lại khoá. Trong các giai đoạn tiếp theo sự làm việc của sơ đồ diễn ra tương tự, trong một chu kỳ nguồn xoay chiều D0 làm việc q lần. Đồ thị điện áp chỉnh lưu tức thời, dòng các van của sơ đồ hình 2.6 khi sơ đồ làm việc với α ≠ 0, giả thiết L = ∞ cho trên hình 2.7. d

Một số nhận xét: − Do đặc điểm là dòng qua D0 gây nên bởi s.đ.đ. tự cảm trong điện cảm phụ tải

Ld,vì vậy sơ đồ có chỉ hợp lý khi Ld≠0, L càng lớn càng tốt. d

− Trong sơ đồ chỉnh lưu có D0 thì ud≥ 0 (không âm), nên Ud≥0 và sơ đồ không làm việc được ở chế độ nghịch lưu.

II.1.5 Quá trình chuyển mạch (chuyển đổi) trong sơ đồ chỉnh lưu II.1.5.1 Khái niệm Bình thường để xét nguyên lý hoạt động của các sơ đồ chỉnh lưu ta thường giả thiết bỏ qua điện trở và điện cảm nguồn cung cấp xoay chiều và của dây dẫn cũng như các phần tử khác mắc nối tiếp trong mạch nguồn để đơn giản cho việc nghiên cứu. Trong trường hợp này khi ta mở một van đến lượt làm việc thì van đang dẫn dòng ở giai đoạn trước và ở cùng nhóm sẽ khoá lại tức thời. Trong thực tế thì ở mạch nguồn luôn luôn tồn tại một giá trị điện trở và một giá trị điện cảm nhất định, điều này sẽ làm cho sự thay đổi van làm việc trong sơ đồ khác đi, đặc biệt là điện cảm mạch nguồn. Do đặc điểm của điện cảm là dòng qua nó không được phép thay đổi đột ngột nên khi ta truyền tín hiệu điều khiển đến mở một van đến lượt làm việc thì van cùng nhóm với nó đang dẫn dòng ở giai đoạn trước dòng chưa giảm ngay về không mà sẽ giảm dần trong một khoảng thời gian nào đó và trong thời gian đó dòng qua van vừa mở cũng sẽ tăng dần từ 0 đến giá trị dòng qua tải. Như vậy, ta thấy rằng khi chuyển sự dẫn dòng từ van này sang van khác cùng nhóm sẽ xuất hiện một khoảng thời gian có hai van cùng nhóm của sơ đồ cùng dẫn dòng, khoảng thời gian này được gọi là thời gian chuyển mạch và quá trình diễn ra trong sơ đồ chỉnh lưu trong thời gian này được gọi là quá trình chuyển mạch. Trong thời gian chuyển mạch sơ đồ làm việc ở trạng thái ngắn mạch hai pha nguồn xoay chiều bởi sụt điện áp trên hai van cùng nhóm dẫn dòng xem là bằng không. Quá trình chuyển mạch như đã nêu không xảy ra đối với chế độ dòng gián đoạn vì khi ta mở một van trong sơ đồ thì tất cả các van làm việc ở giai đoạn trước đều đang khoá. Quá trình chuyển mạch chỉ diễn ra khi sơ đồ làm ở chế độ dòng liên tục và việc nghiên cứu quá trình này tương đối phức tạp. Để đơn giản cho việc nghiên cứu ta tạm thời đưa ra một số giả thiết như sau:

1- Điện áp xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu là hoàn toàn hình sin. 2- Tạm thời bỏ qua điện trở trong mạch nguồn (Rs= 0), chỉ xét đến điện cảm của

mạch nguồn (Ls ≠ 0). 3- Giả thiết điện cảm mạch tải là vô cùng lớn (Ld=∞ nên id =Id=const) 4- Bỏ qua sụt điện áp trên van và xem rằng van mở ngay khi có tín hiệu điều

khiển. 5- Chỉ khảo sát quá trình chuyển mạch diễn ra giữa 2 van và nghiên cứu với

trường hợp sơ đồ là hình tia, sau đó suy rộng kết quả cho cả sơ đồ hình cầu. II.1.5.2 Dạng dòng qua các van trong giai đoạn chuyểnmạch

Để xác định biểu thức dòng các van trong giai đoạn chuyển mạch với sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối Cathode chung ta sử dụng sơ đồ thay thế bộ chỉnh lưu trong thời gian diễn ra quá trình chuyển mạch giữa 2 van T

un iTnLsn Tn

un+1 iTn+1Lsn+1 Tn+1

idRd

ud

Ld

Hình 2.8 Ed

∼

∼ , (n<m), như hình 2.8: n và Tn+1

Trong đó: − u un, n+1 là điện pha thứ n và n+1 trong hệ thống

điện áp xoay chiều hình sin m pha (n<m). − T

53

n, T là 2 van mắc ở 2 pha un+1 n, u n+1

− Lsn, Lsn+1 là điện cảm tổng trong 2 pha nguồn xoay chiều thứ n và n+1, ta có: Lsn = Ls = Ls. n+1

− E Rd, d, L là các phần tử phụ tải một chiều. d

− iTn, i , iTn+1 d là dòng điện các van là dòng tải. − ud là điện áp chỉnh lưu tức thời.

Ta chọn mốc thời gian xét ωt = 0 là thời điểm truyền tín hiệu điều khiển mở T , trước đó van Tn+1 n đang dẫn dòng. Viết phương trình cân bằng điện áp trong mạch vòng qua 2 van đang diễn ra chuyển mạch và hai pha nguồn nối với 2 van này với chú ý rằng điện áp trên 2 van này trong khoảng chuyển mạch bằng không (vì các van đang dẫn dòng), ta được:

- Ls.diTn/dt+ Ls.di /dt =u -uTn+1 n+1 n (2-17) Mặt khác ta lại có:

iTn + i = ITn+1 d (2-18) Từ (2-17) và (2-18) ta rút ra:

= IiTn+1 d - i di /dt = - diTn, Tn+1 Tn/dt, u - un+1 n =Um.sin (ωt+α) với Um là biên độ điện áp dây của 2 pha nguồn liên tiếp nhau. Thay các biểu thức này vào (2-17) ta có:

/dt = U2.Ls.diTn+1 m.sin (ωt+α) (2-19) Giải phương trình vi phân này ta được:

= - IiTn+1 m.cos (ωt+α) +C Hằng số tích phân C được xác định dựa điều kiện đầu là khi ωt=0 thì iTn+1 =0 và

có giá trị như sau: C = Im.cosα = (Um/2ω Ls). cosα

Với: Im là giá trị hằng được xác định bằng: Im= Um/2ω Ls (2-20) Vậy ta có:

= IiTn+1 m.[cosα - cos (ωt+α)] (2-21a) = IiTn d - Im.[cosα - cos (ωt+α)] (2-21b)

II.1.5.3 Góc chuyển mạch Khoảng thời gian chuyển mạch qui ra góc độ điện được gọi là góc chuyển mạch và thường được ký hiệu là γ. Để xác định góc chuyển mạch ta dựa vào điều kiện: khi kết thúc chuyển mạch thì iTn=0 và i =ITn+1 d .Thông thường người ta tính toán giá trị góc chuyển mạch khi α=0 trước (khi α=0 thì γ = γ0 ) rồi tính toán γ thông qua γ0 và α .

Cho α=0 và thay ωt=γ0 vào (2-21a) hoặc (2-21b) ta được: 1 - cosγ0 = (Id.2. ω Ls)/Um (2-22) γ0 = arccos[1- (2.ω.Ls.Id)/Um] (2-22a)

Thay ωt=γ vào (2-21b) và cho iTn= 0 ta rút ra:

54

cosα - cos (α +γ) = (Id.2. ω Ls)/Um (2-23) Chia vế với vế hai đẳng thức (2-22), (2-23) cho nhau ta được:

(1- cosγ0 )/ [cosα - cos (α +γ)] =1 (2-24) sau khi biến đổi, cuối cùng ta rút ra:

γ=arccos (cosα + cosγ0 - 1) - α (2-25) Nhận xét: Góc chuyển mạch γ phụ thuộc vào giá trị dòng tải Id, điện áp nguồn cung cấp, điện cảm trong mạch nguồn Ls, góc điều khiển α. II.1.5.4 Điện áp chỉnh lưu khi có xét đến quá trình chuyển mạch a/- Điện áp chỉnh lưu tức thời

− Trong khoảng thời gian không diễn ra chuyển mạch: Trong các giai đoạn này điện áp chỉnh lưu tức thời bằng điện áp của pha nguồn xoay chiều nối với van đang dẫn dòng, ví dụ: lân cận trước ωt=0 thì Tn dẫn dòng nên ud=un còn từ ωt=γ đến ωt=2π/q thì T dẫn dòng nên un+1 d=u . n+1

− Trong giai đoạn diễn ra chuyển mạch: Khi có sự chuyển mạch dòng từ van này sang van khác thì dòng qua các van và các pha nguồn xoay chiều có sự biến đổi nên điện áp chỉnh lưu tức thời trên tải cũng sẽ thay đổi. Để xác định điện áp trên tải trong giai đoạn này ta viết phương trình cân bằng điện áp như sau:

/dt + uLs.diTn+1 d = u (2-26a) n+1

Ls.diTn/dt + ud = un (2-26b) Cộng hai phương trình này vế với vế, biến đổi và chú ý rằng:

/dt=- di diTn+1 Tn/dt ta được: ud = (u + un+1 n)/2 (2-27)

b/- Điện áp chỉnh lưu trung bình Do có chuyển mạch mà điện áp chỉnh lưu tức thời trong khoảng chuyển mạch bị giảm đi. Lượng giảm đi của ud trong khoảng chuyển mạch bằng sụt điện áp trên điện cảm mạch nguồn uLs. Vì vậy mà giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu cũng bị giảm đi một lượng bằng giá trị trung bình của sụt điện áp trên Ls, ta ký hiệu là ΔUx. Giá trị ΔUx được xác định bằng:

(2-28) )]cos(.[cos).4/()()sin()4/(

0

γααπωαωπγ

+−=+=Δ ∫ mmx UqtdtUqU

Dựa vào (2-23) ta rút ra: ΔUx= (q/2π).ω.Ls.Id. (2-29) Và cuối cùng ta được biểu thức điện áp chỉnh lưu trung bình khi có tính đến

quá trình chuyển mạch là: Ud = Ud0.cosα - (q/2π).ω.Ls.Id (2-30)

Chú ý: − Khi có tính đến điện trở Rs trong mạch nguồn xoay chiều mà vẫn giả thiết

Ld=∞ thì các tính toán cho thấy rằng dạng đường cong dòng điện các van cũng gần giống như khi bỏ qua điện trở nguồn và các biểu thức tính toán trên vẫn có thể sử dụng được với mức độ chính xác cho phép, chỉ cần quan tâm thêm sụt áp trên Rs.

− Khi có tính đến điện trở Rs trong mạch nguồn xoay chiều mà giá trị Ld hữu hạn thì nếu Ld có giá trị đủ lớn để cho dòng tải đập mạch nhỏ thì dạng dòng các van

cũng thay đổi rất ít và ta vẫn có thể sử dụng các quan hệ trên nhưng trong biểu thức tính điện áp chỉnh lưu trung bình phải tính đến sụt điện áp một chiều trên Rs. Vậy, biểu thức điện áp chỉnh lưu trung bình khi có Rs là:

55

Hình 2.9. Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha

ud (nÐt u

u1u2

iT1iT2

0 ωtπ

α

γ

2π

i

0 ωtπ

α γ2π

ucubu ua

T2

T3

T1

T2T1 T3

ωt

γ

0

α

Hình 2.10. Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3

Ud = Ud0.cosα - (q/2π).ω.Ls.I - Rd s.Id (2-31) − Các biểu thức (1-30), (1-31) tuy tính toán với sơ đồ hình tia nhưng vẫn áp dụng

được cho cả các sơ đồ hình cầu trừ trường hợp sơ đồ cầu một pha. Với sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha ta sử dụng biểu thức sau:

Ud = Ud0.cosα - (2/π).ω.Ls.I - Rs.Id d (2-32) − Khi có tính đến chuyển mạch thì độ dài dẫn dòng của van kéo dài thêm một góc

bằng γ nên để tránh lật đổ nghịch lưu khi sơ đồ làm việc ở chế độ này góc nghịch lưu cần phải thoả mãn:

< β < π/2 (2-33a) βmin

= ωtTrong đó: βmin k+γ (2-33b) II.1.5.5 Một số ví dụ: a/- Sơ đồ chỉnh hình tia 2 pha

b/- Sơ đồ chỉnh hình tia 3 pha (Hình 2.10) Trong trường hợp này ta giả thiết tại thời điểm bắt đầu xét ta mở T2 khi trước đó T1 đang dẫn dòng thì từ ωt=0 đến ωt=γ sẽ diễn ra quá trình chuyển mạch dòng từ T1 sang T2 và điện áp chỉnh lưu tức thời trong khoảng này là ud = (u1 + u2)/2 =0, dạng đường cong dòng các van và điện áp trên tải như hình 2.9. Ở đây ta giả thiết tại ωt=0 thì ta truyền tín hiệu điều khiển đến mở T2 mắc ở pha b (pha thứ 2) và trước đó T1 đang dẫn dòng nên giai đoạn từ ωt=0 đến ωt=γ diễn ra sự chuyển mạch dòng từ T1 sang T2, do vậy điện áp chỉnh lưu lúc này sẽ bằng: ud = (u1 + u2)/2 = (ua + ub)/2. Đồ thị điện áp chỉnh lưu tức thời như hình 2.10. II.1.6 Ảnh hưởng của chỉnh lưu đến lưới điện Do sự làm việc của sơ đồ chỉnh lưu mà dòng qua nguồn điện xoay chiều có dạng khác hình sin.Phân tích đường cong dòng điện nguồn ra chuỗi Furiê ta được một thành phần hình sin tần số bằng tần số điện áp nguồn được gọi là sóng hài bậc nhất dòng điện nguồn (lưới) và một tổng vô hạn các thành phần hình sin khác có tần số lớn hơn tần số điện áp nguồn một số nguyên lần được gọi là các sóng hài bậc cao dòng điện nguồn.

Từ các đặc trưng của mạch điện không hình sin đã nghiên trong lý thuyết mạch điện và do điện áp nguồn là hình sin nên chỉ có thành phần dòng điện hình sin tần số bằng tần số điện áp nguồn (sóng hài bậc nhất) là tham gia vào quá trình truyền công suất tác dụng từ nguồn tới tải, còn các sóng hài bậc cao không tham gia vào quá trình này mà nó chỉ gây nên các tổn thất phụ khi truyền tải. Mặt khác, do sự hoạt động của chỉnh lưu điều khiển mà gây nên sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp nguồn làm giảm hệ số công suất của lưới điện xoay chiều khi cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu. II.1.6.1 Xuất hiện sóng hài bậc cao trong dòng điện lưới Ta giả thiết rằng Ld

Hình 2.11: Đồ thị dòng điện lưới điện xoay chiều

i1

i1

Id/kba0

2π/3

2π π/3

π

Id/kba0 ωt 2π

ωt

ωt

π/2 π

i1

Id/kba0

2π α/2

π

a

b

c

= ∞, bỏ qua quá trình chuyển mạch thì đồ thị dòng điện của nguồn xoay chiều trong một số trường hợp như hình 2.11. Trong đó hình 2.11a là của sơ đồ tia 2 pha hoặc cầu một pha không có diode không, hình 2.11b là trường hợp chỉnh lưu tia 2 pha hoặc cầu một pha khi có diode không, còn hình 2.11c là đối với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha khi máy biến áp nối Y/Y.

Phân tích các đường cong trên ra chuỗi Furiê ta được:

− Đường cong hình 2.11a:

56

i1= (4Id/πkba).[sinωt+ (1/3).sin3ωt+ (1/5).sin5ωt+...+ (1/n).sinnnωt+... (2-34)

Đường cong dòng điện chỉ chứa các sóng hài bậc lẻ, biên độ của sóng hài bậc n bằng: Inm = (1/n). (4Id/πkba); trong đó n là số nguyên dương và lẻ, kba là hệ số biến áp của máy biến áp cung cấp cho sơ đồ.

− Đường cong hình 2.11b: Để đơn giản cho việc phân tích ta chuyển dịch trục tung đi 1 khoảng bằng π/2 (đường nét đứt trên hình), ta được: i1= (4Id/πkba).[sin (π/2) (1-α/π).cosωt+ (1/3).sin (3π/2) (1-α/π).cos3ωt+...

+ (1/n).sin (nπ/2).. (1-α/π).cosnωt+...] (2-35) Biên độ sóng hài bậc n là: Inm = (1/n). (4Id/πkba). sin (nπ/2) (1-α/π).

0− Đường cong hình 2.11c khi dịch trục tung sang phải 90 sẽ là:

1 [(2 3 ) / ].[(cos (1 / 5).cos 5 (1 / 7).cos 7 (1 /11).cos11... (1 / ).cos ...)]

d bai I k t t tn n t

tπ ω ω ωω

= − + −+ +

ω + (2-36)

Biên độ sóng hài bậc n: (1/ ).(2 3 ) /( )nm d baI n I kπ= Nhận xét:

Từ việc phân tích một số đường cong điện mạch nguồn đã nêu, ta thấy rằng dòng điện nguồn có một thành phần hình sin tần số bằng tần số điện áp nguồn là sóng hài bậc nhất và vô số các sóng bậc cao với chỉ số bậc n được xác định:

n = kq±1;k=1,2,3,... (2-37) Giá trị tương đối của sóng hài bậc n (so với sóng hài bậc nhất):

= (IInm* 1m/Inm)=1/n (2-38) II.1.6.2 Giảm hệ số công suất cosϕ

Hệ số công suất cosϕ trong trường hợp chung được xác định bằng: cosϕ =P/S (2-39)

Trong đó: P,S là công suất tác dụng và công suất toàn phần mà bộ chỉnh lưu yêu cầu từ lưới điện xoay chiều:

57

P=m.U1.I11.cosϕ1; S=m.U1.I1

Với m là số pha, U1 là giá trị hiệu dụng điện áp 1 pha, I1 là giá trị hiệu dụng dòng điện pha, I là giá trị hiệu dụng sóng hài bậc nhất dòng điện pha, I11 1n là giá trị hiệu dụng sóng hài bậc n dòng điện pha nguồn xoay chiều.

21

2111 nIII ∑+=

Vậy: ϕμϕϕ cos.)(/)cos.(/cos 21

211111 =∑+== nIIISP (2-40)

Ở đây μ là hệ số hình dáng dòng diện nguồn và μ=I11/I1, còn ϕ1 là góc lệch pha giữa sóng hài bậc nhất dòng điện nguồn và điện áp nguồn. Ví dụ: Trường hợp sơ đồ cầu 1 pha hoặc hình tia 2 pha, giả thiết Ld = ∞:

Nếu bỏ qua chuyển mạch: 1cos)./2.2(cos ϕπϕ =

Khi không có diode không thì ϕ1 = α Khi có diode không thì: ϕ1 = α/2 Nếu có xét đến chuyển mạch: 1cos)./22(cos ϕπϕ μk=

Với ϕ1≈α+γ/2 hoặc cosϕ1=[cosα-cos (γ+α)]/2 và giá trị: ])3/2(1)2//[()2/(sin πγγγμ −≈k

Từ đó ta thấy rằng khi góc điều khiển α tăng sẽ làm tăng ϕ1 và dẫn đến hệ số công suất của sơ đồ chỉnh lưu bị giảm .Khi không có diode D 0

0 thì cosϕ=0 khi α=90 . II.2 Phân tích khảo sát các sơ đồ chỉnh lưu điều khiển II.2.1 Các sơ đồ chỉnh lưu hình tia II.2.1.1 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 1 pha không có D0

Trên hình 2.12a trình bày chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ tải thuần trở. Điện áp nguồn

u= Umsin(ωt), tiristo T vẫn ở trạng thái khoá. Tại thời điểm ωt=α, đưa xung điều khiển iG vào cực điều khiển, lúc này UAK>0, xung mồi có tác dụng mở tiristo, đưa tiristo

Hình 2.12a,b: Sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ, điện áp và dòng tải trường hợp tải thuần trở

u1

a)

iT idT

Rd

ud

u2∼

BA

i2

uT

**

i1

b)

ud (nÐt ®Ëm) α α

u

πν10 2 ωtν2

π 2

u®kω

νν1

0

α α Id

π ωtν2

ν10 2

ωt

sang trạng thái dẫn. Tiristo tiếp tục dẫn trong khoảng α<ωt<π, dòng điện id có dạng tương tự điện áp ud. Trong khoảng π<ωt<2π, điện áp UAK<0 tiristo bị khoá. Hình 2.12b trình bày dạng sóng điện áp, dòng điện của chỉnh lưu khi tải thuần trở. Góc α gọi là góc mở, đôi khi còn gọi là góc trễ.

Trị điện áp trung bình trên tải:

58

iT i

Hình 2.14

Ed

iT d

RdiDo

ud

u2∼

BA

2

uT

**

i1

u1 Ld

uDo

D0

Trong thực tế tải thường có tính chất điện cảm, tải R- L, khi đó năng lượng

được tích luỹ trong từ trường cuộn dây sẽ duy trì dòng điện tải ngay cả khi điện áp U

2 21 12 sin . 0, 45

2 2dU U t d t Uπ

α

cosαω ωπ

+= =∫

<0, ta có sơ đồ hình 2.13 AK

a)

iT idT

Rd

ud

u2∼

BA

i2

uT

**

i1

u1 Ld

Hình 2.13a,b: Sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ, điện áp và dòng tải trường hợp tải R- L

ud

α

ud

udk

ωt

ωt

π 2π

id ωt

0

eL

b)

Điện áp trung bình trên tải: II.2.1.2 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 1 pha có diode D0

2 21 c2 sin . 0, 45

2 2dU U t d t Uπ ϕ

α

os cosϕ αω ωπ

+ += =∫

a/- Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 1 pha là sơ đồ chỉnh lưu đơn giản nhất, sơ đồ này thường được sử dụng ở dạng có diode không và ứng dụng trong một số trường hợp như:

Trong hệ thống truyền động điện dùng khớp ly hợp điện từ, để cung cấp điện áp một chiều điều chỉnh được cho một số thiết bị đơn giản khác, v.v... Sơ đồ bộ chỉnh lưu hình 2.14 bao gồm đầy đủ các phần tử cần thiết của một sơ đồ chỉnh lưu: Trong đó:

− BA: là máy biến áp dùng để cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, BA có một số nhiệm vụ như sau:

• Biến đổi điện áp xoay chiều lưới điện u1 thành điện áp xoay chiều u2 bên thứ cấp có giá trị phù hợp với yêu cầu của sơ đồ chỉnh lưu.

• Đảm bảo sự cách ly về điện giữa mạch động lực của sơ đồ chỉnh lưu với nguồn điện xoay chiều trong một số trường hợp cần thiết để đảm bảo an toàn cho người vận hành và sửa chữa.

• Giá trị điện cảm tản của BA tham gia làm giảm tốc độ tăng của dòng qua van khi mở van làm hạn chế được giá trị diT/dt để bảo vệ van, vì vậy khi đã sử dụng máy biến áp để cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu thì không cần phải đưa thêm điện cảm vào mạch nguồn mà chỉ cần lựa chọn máy biến áp có giá trị điện áp ngắn mạch phần trăm lớn (u % = 7÷10 %). N

− T là van chỉnh lưu có điều khiển (thyristor) dùng để biến điện áp xoay chiều u

59

Hình 2.15: Đồ thị áp và dòng một số phần tử của sơ đå

ud (nÐt

iT

α α u

π

ωt

ν2

ν10

2π

Id

πωt ν2ν10

2π

Id

iDo

πωt ν2ν10

2π

uT

uT (nÐt ®Ëm) u2 αα

π

ωt

ν2

ν10

2π

π 2π

u®kT

ωt

ν2ν1

0

2 thành điện áp một chiều trên tải ud . − Rd, Ld, Ed là các phần tử phụ tải một chiều. − D0 là diode không. − u1, i1: điện áp và dòng điện cuộn sơ cấp máy biến áp BA (điện áp nguồn

xoay chiều) − u2, i2: điện áp và dòng điện cuộn thứ cấp máy biến áp BA. − u , i : điện áp và dòng điện của thyristor T. T T

− uDo, iDo: điện áp và dòng điện của diode không Do. − ud, id: điện áp và dòng điện chỉnh lưu trên tải.

b/- Nguyên lý làm việc của sơ đồ Ta giả thiết rằng Ld = ∞, sơ đồ đã làm việc ở chế độ xác lập, cho sơ đồ làm việc với một góc điều khiển bằng α và đồ thị điện áp u2 như hình vẽ 2.15a, đồ thị tín hiệu điều khiển T cho trên hình 2.15b. Tại ωt=ν1=α thì T có tín hiệu điều khiển và thời điểm này chậm sau thời điểm điện áp u2 bằng không và bắt đầu chuyển sang dương một góc α nên trên T đang có điện áp thuận.Như vậy là đủ cả 2 điều kiện để T mở nênT mở và điện áp trên thyristor sẽ giảm về bằng không,khi đó ta có ud=u2>0 nên u = -u = -uDo d 2 < 0, tức là trên D0 có điện áp ngược và Do sẽ phải khoá. Do diode không khoá nên i =iT d=Id (do Ld=∞). Lúc này ta có: ud=u2; i =i T d=Id; uT= 0; iDo=0; uDo=-u2

Đến ωt=π thì u2=0 và bắt đầu chuyển sang âm, nó có xu hướng tác động ngược chiều dẫn dòng của T nên làm cho dòng tải có xu hướng giảm xuống,→trong Ld sẽ xuất hiện s.đ.đ. tự cảm có xu hướng duy trì dòng qua tải.

Trong trường hợp sơ đồ không có van không thì T vẫn tiếp tục dẫn dòng và như vậy thì u

60

d vẫn bằng u2, mà u đã bắt đầu chuyển sang âm, có nghĩa rằng với sơ đồ có D2 0 thì lúc này điện áp trên D0 bằng không và bắt đầu chuyển sang dương nên D0 sẽ mở. Van D mở thì u0 Do giảm về bằng không nên ud=0 → u = uT 2<0, tức là do diode không mở mà trên T bị đặt điện áp ngược và T khoá lại, lúc này ta có: ud=0; i =0; u =uT T 2;

iDo=id=Id; uDo=0 và D0 sẽ tiếp tục dẫn dòng cho đến ωt=ν2=2π+α là thời điểm ta lại truyền xung điều khiển tiếp theo đến T, thyristor T lại mở và sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc như từ ωt=ν1. Giai đoạn ωt=0÷ν1 có thể suy ra khi dựa vào tính chất lặp đi lặp lại của sơ đồ chỉnh lưu, có nghĩa rằng giai đoạn này giống như giai đoạn ωt=2π÷ν2 (D0 dẫn dòng). Tóm tắt ta có sự làm việc của sơ đồ:

• ωt=0÷ν1 và ωt=π÷ν2=2π+α,... trong sơ đồ có Do dẫn dòng: ud=0; =0; i iT Do=id=Id; u =uT 2; uDo=0;

• ωt=ν1÷π và ν2÷3π,...trong sơ đồ có T làm việc: ud=u2; =iiT d=Id; iDo=0; u =0; uT Do=-u2.

Đồ thị điện áp chỉnh lưu tức thời, tín hiệu điều khiển thyristor T, dòng điện qua T và diode không D0 ở trường hợp vừa nêu như hình 2.15. c/- Một số biểu thức tính toán

do2U Uπ

=− Điện áp chỉnh lưu trung bình: Ud =Udo. (1+cosα)/2; 2

− Dòng trung bình qua thyristor: I = ITtb d (π-α)/2π − Dòng hiệu dụng qua thyristor: T dI (π α) / 2π.I= − − Dòng trung bình qua Do: IDotb = Id (π+α)/2π − Dòng hiệu dụng qua Do: dI (π α) / 2π.IDo = +

− Điện áp thuận lớn nhất trên thyristor: Tthmax 2U 2= .U

− Điện áp ngược lớn nhất trên thyristor: T max 2U 2ng = .U

− Điện áp ngược lớn nhất trên D0: max 2U 2Dong = .U

d/- Tính chọn các van Để lựa chọn các van trong sơ đồ chỉnh lưu ta dựa vào các giá trị cho phép về dòng và áp của van cho trong tài liệu tra cứu van và các giá trị tương ứng khi van làm việc trong một sơ đồ cụ thể. Sau khi tính chọn van như đã nêu ta phải kiểm tra lại van theo các điều kiện về tốc độ biến thiên cho phép của điện áp và dòng điện trên van.

Các van được chọn cần thoả mãn các điều kiện như sau: • Điều kiện về dòng điện:

o Thyristor: [I ] ≥ Ki .ITtb T Ttbmax hoặc [I ] ≥ Ki .I (2-41) T T Tmax

o Diode D0: [IDtb] ≥ Ki .I hoặc [I ] ≥ Ki .ID Dotbmax D D Domax (2-42) ], [ITrong đó: [ITtb T] là giá trị trung bình và hiệu dụng cho phép của dòng điện

đối với thyristor; ITtbmax, ITmax là giá trị trung bình và hiệu dụng lớn nhất của dòng điện đi qua thyristor trong sơ đồ khi dòng tải là định mức; [IDtb], [ID] là giá trị trung bình và hiệu dụng cho phép của dòng điện đối với diode; I , IDotbmax Domax là giá trị trung bình và hiệu dụng lớn nhất của dòng điện chảy qua diode không khi dòng tải là định mức; KiT,

Ki là hệ số dự về dòng của thyristor và diode, thường lấy Ki =1,5÷4 và Ki =1,5÷2,5. D T D

• Điều kiện về điện áp: o Thyristor: [UTthmax]≥ Ku .U và [UT Tttmax Tngmax]≥ Ku .UT Tngmax (2-43)

o Diode D

61

0: [U ] ≥ Ku .U (2-44) Dngmax D Dongmax

Trong đó: [UTthmax], [UTngmax] là giá trị cho phép của điện áp thuận lớn nhất và điện áp ngược lớn nhất đối với thyristor; UTthmax, UTngmax là giá trị lớn nhất của điện áp thuận và ngược trên thyristor trong sơ đồ cụ thể; [UDngmax] là giá trị cho phép của điện áp ngược lớn nhất đối với diode; UDongmax là giá trị lớn nhất của điện áp ngược trên diode không trong sơ đồ cụ thể; Ku KuT, D là hệ số dự về điện áp của thyristor và diode, thường lấy Ku = Ku =1,5÷2,5. T D

Các điều kiện kiểm tra lại van đã chọn: • Điều kiện tốc độ tăng của điện áp trên van: [du/dt] ≥ du/dt (2-45) max

• Điều kiện tốc độ tăng của dòng điện qua van: [di/dt] ≥ di/dt (2-46) max

Trong đó: [du/dt], [di/dt] là các giá trị cho phép về tốc độ tăng của điện áp và dòng điện đối với van và tra trong sổ tay tra cứu van; du/dt , di/dtmax max là các giá trị lớn nhất về tốc độ tăng của điện áp và dòng điện đối với van trong sơ đồ cụ thể.

Khi không đạt điều kiện nào trong hai điều kiện kiểm tra van thì ta phải tính toán các mạch bảo vệ để đạt được điều kiện đó mà thường không phải chọn lại van. Phần tính chọn van này có thể áp dụng cho mọi sơ đồ chỉnh lưu. II.2.1.3 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai pha a/- Sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai pha không có D0

• Sơ đồ nguyên lý (Hình 2.16) Trong đó: − BA là máy biến áp cung cấp cho sơ

đồ chỉnh lưu, ngoài các nhiệm vụ như đã nêu ở sơ đồ trước thì trong sơ đồ này BA còn có chức năng là tạo ra hệ thống điện áp xoay chiều hai pha không có trong lưới điện công nghiệp. BA có một cuộn sơ cấp được đặt điện áp nguồn xoay chiều một pha u

* w21

*

BA

w1

* w22

i21 iTT1

1

O

iT2

2

i1

T2i22

ud

EdLd Rd id

u1

u21

u22

Hình 2.16 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha không có D0

1, hai cuộn thứ cấp là w21, w22 có số vòng bằng nhau và đấu như hình vẽ. Như vậy trên w w ta có các điện áp là u21, 22 21, u thoả mãn quan hệ: u22 21 = u22, đây là hệ thống điện áp xoay chiều hai pha cần thiết.

− Các thyristor T1, T2 làm nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều thành một chiều. − Ed, Ld, Rd các phần tử phụ tải. • Nguyên lý làm việc: Trường hợp phụ tải Rd -Ed:

Với trường hợp này phụ thuộc vào giá trị Ed, α mà xảy ra một số trường hợp khác nhau.

Ở đây ta xét một trường cụ thể với giá trị α, U2m sao cho U2m.sinα >Ed. Tại ωt=ν1=α ta truyền xung điều khiển đến mở T1, giả thiết rằng trước đó (ωt=0 đến ωt<ν1) thì trong sơ đồ chưa có van nào làm việc nên id =0 và ud=Ed. Vậy tại ν1thì uT1=u21-Ed>0, có đủ 2 điều kiện để T mở T1 1 sẽ mở, sụt điện áp trên T1 giảm về bằng

62

Hình 2.17 Đồ thị áp và dòng một số phần tử của sơ đå

ωt

uT1 2u21

uT1 nÐt ®Ëm

u21-Ed

u21

0

ωt0

α

Ed

u22u BdB (nÐt ®Ëm) u21u

αα

2

ν3ν2ν1ν1

ν3

ν2

ν1

π

không nên ta có điện áp chỉnh lưu tức thời u

ωt

iT1

02π

ωtiT

0

ωt id

0

ν2

d=u21. Lúc này trong sơ đồ xuất hiện dòng điện đi từ đầu pha thứ nhất (điểm 1) qua T1, qua phụ tải và quay về pha thứ nhất thứ cấp máy biến áp BA. Van T2 lúc này bị đặt điện áp ngược và khoá lại, ta có:

iT1=id=(ud-Ed)/Rd= (u21-Ed)/Rd; iT2 = 0; uT1= 0; uT2 =

2u22; đến thời điểm ωt=ν1' thì u21 = Ed lúc đó dòng qua T1 và phụ tải bằng không và có xu hướng muốn đổi chiều,nhưng do tính dẫn dòng một chiều của các van mà T1 sẽ khoá lại còn T2 thì chưa có điều kiện mở nên dòng tải sẽ bằng không trong giai đoạn tiếp. Trong giai đoạn này cả 2 van T1 và T đều khoá: 2

ud = E d; iT1=0; iT2 = 0;

uT1= u21- Ed; u = uT2 22 - Ed;

Tại ωt=ν2 =π +α, van T2 có tín hiệu điều khiển và uT2 = u22-Ed>0, đủ hai điều kiện cho T2 mở. VanT2 mở thì sụt áp trên nó giảm về không nên ud = u22, van T1 thì bị đặt điện áp ngược và đang khoá. Trong giai đoạn này ta có:

iT1 = 0; iT2=id= (ud-Ed)/Rd= (u22-Ed)/Rd; = 2u uuT1 21; T2= 0;

Tại ωt=ν2' thì u22 = Ed lúc đó dòng qua T2 và phụ tải bằng không và có xu hướng muốn đổi chiều, nhưng do tính dẫn dòng một chiều của các van mà T2 sẽ khoá lại còn T1 thì chưa có điều kiện mở nên dòng tải sẽ bằng trong giai đoạn tiếp. Trong giai đoạn này cả 2 van T1 và T2 cũng đều khoá (tương tự như giai đoạn ωt=ν1'÷ ωt=ν2):

ud = E d; iT1=0; iT2 = 0; uT1= u21- Ed; u = uT2 22 - Ed;

Tại ωt=ν3 thì T lại có tín hiệu điều khiển và u1 T1>0 nên T1 lại mở, sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc như từ ωt=ν1. Giai đoạn từ ωt= 0 ÷ ωt = ν1 cũng giống như giai đoạn ωt=2π÷ωt=ν3 (do tính chất lặp đi lặp lại trong sơ đồ chỉnh lưu). Đồ thị điện áp chỉnh lưu, dòng các van, dòng điện chỉnh lưu, điện áp trên T1 biểu diễn trên các hình 2.17a ÷ 2.17e.

Điện áp chỉnh lưu trung bình của trường hợp này là:

(2/ 2 )[ sin( ) ( ) . ( )]U U t d t Emd dαd t

π θ π απ ω ω ω

π θ

− += +∫ ∫

−

( ) ( ){ }1 . cos cos .d m dU U α π θ α θπ⎛ ⎞ ⎡ ⎤= ⎜ ⎟ ⎣ ⎦⎝ ⎠

− − + +→ E

Dòng trung bình qua một thyristor: = (1/2π).{U

63

ITtb m[cosα-cos (π-θ)]-(π-α-θ).Ed }/Rd. Ở đây giá trị góc θ được xác định như sau: θ = arcsin (Ed/Um)

Trường hợp tải có Ld =∞ Giả thiết cho sơ đồ làm việc với một góc điều khiển là α,tại ωt=0 thì u21=0 và bắt đầu chuyển sang dương. Tại ωt=ν1=α ta truyền xung điều khiển đến mở T1, giả thiết rằng trước đó (ωt=0 đến ωt<ν1) thì trong sơ đồ có van T2 làm việc nên id =iT2 và ud=u22 .Vậy tại ν1thì uT1=u21- u22 =2u > 0, có đủ 2 điều kiện để T mở. T21 1 1 sẽ mở, sụt điện áp trên T1giảm về bằng không nên ta có điện áp chỉnh lưu tức thời ud=u21. Lúc này uT2 = u - u22 21 =2u <0, tức là do T22 1 mở mà T2 bị đặt điện áp ngược, T2 khoá lại. Trong sơ đồ bây giờ chỉ có van T1 làm việc, xuất hiện dòng điện đi từ đầu pha thứ nhất (điểm 1) qua T1, qua phụ tải và quay về pha thứ nhất thứ cấp máy biến áp BA. Ta có: iT1=id=Id; iT2 = 0; uT1= 0; u = 2uT2 22;

Đến thời điểm ωt = π thì u21 = 0 và bắt đầu chuyển sang âm, lúc đó u21 sẽ có tác dụng ngược chiều dòng qua T1 và phụ tải làm cho dòng tải có xu hướng giảm, trong điện cảm phụ tải sẽ xuất hiện s.đ.đ. tự cảm để tiếp tục duy trì dòng tải và với giả thiết L

Hình 2.18 Đồ thị áp và dòng một số phần tử của sơ đå

ωt

u22ud (nÐt ®Ëm) u21u

0

α αα

2π

ν3ν2=ν1=

ν3ν2=ν1

π

ωt

iT1

0 Id

2π

ν2ν1 ν3 ωt0

2π π

Idν1 ωt

iT2

02π π

uT12u21

u21

Id/kbaν1 ωt

i1

02π π

d = ∞ thì như đã biết: dòng tải không đổi, vậy trong khoảng tiếp theo thì T1 vẫn dẫn dòng nên các quan hệ vẫn như đã nêu.

Tại ωt=ν2 =π +α van T2 có tín hiệu điều khiển và uT2 = 2.u22 >0, đủ hai điều kiện cho T mở. Van T2 2 mở thì sụt áp trên nó giảm về không nên ud = u22, khi đó điện áp trên T1sẽ là: u =2.uT1 21< 0, tức là T1 bị đặt điện áp ngược và khoá lại. Trong giai đoạn này ta có:

iT1 = 0; iT2=id=Id; =2uuT1 21; u T2= 0;

Đến thời điểm ωt = 2π thì u22 = 0 và bắt đầu chuyển sang âm, lúc đó u22 có sẽ tác dụng ngược chiều dòng qua T2 và phụ tải làm cho dòng tải có xu hướng giảm, trong điện cảm phụ tải sẽ xuất hiện s.đ.đ. tự cảm để tiếp tục duy trì dòng tải tương tự như từ ωt = π đến ωt = ν2 =π +α. Vậy trong khoảng tiếp theo thì T2 vẫn dẫn dòng nên các quan hệ vẫn như giai đoạn từ ωt = ν2 = π + α đến ωt = 2π.

Tại ωt = ν3 thì T lại có tín hiệu điều khiển và u1 T1>0 nên T1 lại mở, sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc như từ ωt = ν1. Giai đoạn từ ωt = 0÷ωt = ν1 cũng giống như giai đoạn ωt=2π÷ωt=ν3 (do tính chất lặp đi lặp lại trong sơ đồ chỉnh lưu).

Với trường hợp này ta có thể tóm tắt sự hoạt động của sơ đồ như sau:

o ωt= 0 ÷ ωt = ν

64

1 và ωt= ν2÷ ωt = ν3 T2 dẫn dòng: ud = u22 iT1 = 0; iT2=id=Id; u T1= 2u21; u = 0; T2

o ωt= ν1÷ ωt = ν2 và từ ωt = ν ... T3 1dẫn dòng: ud = u21 iT1=id=Id; i T2 = 0; uT1= 0; u = 2uT2 22;

Dòng điện các cuộn dây thứ cấp BA bằng dòng các van: i21 = iT1; i22 = i22.

Dòng điện cuộn dâysơ cấp BA: i1 = (i21- i22 )/ kba= (iT1- iT2)/ kba

Đồ thị dòng, áp minh hoạ sự làm việc của sơ đồ như hình 2.18. • Các biểu thức tính toán cơ bản:

cosd doU U α=

2 2(2 2 / ). 0,9.doU Uπ= ≈ U Trong đó U2 giá trị hiệu dụng của điện áp một pha bên thứ cấp BA.

/ 2Ttb dI I= ; / 2T dI I=

2maxmax 22 UUU TngTth == 2 / 2dI I= ; 1 /( 2)d baI I k=

b/- Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha có D0 • Sơ đồ (như hình 2.19 ) Sơ đồ này chỉ khác với sơ đồ hình 2.17 ở chỗ trong sơ đồ hình 2.19 có thêm diode không D *

w21

*

BA

w1

* w22

i21

D0

iDo

iT1T11

0

iT22

i1

T2i22

ud

Ed Ld Rd id

u1

u21

u22

Hình 2.19

0. • Nguyên lý làm việc Ta chỉ xét trường hợp với các giả thiết: Ld = ∞ và cũng cho sơ đồ làm việc với một góc điều khiển là α, sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm bắt đầu xét (ωt=0), tại ωt=0 thì u21=0 và bắt đầu chuyển sang dương:

= α thì DTa tạm thời giả thiết giai đoạn ωt = 0÷ωt = ν1 0 đang dẫn dòng nhờ s.đ.đ. tự cảm trong Ld, và như vậy thì u = uT1 21 và uT2 = u22 tức là u > 0 còn uT1 T2 < 0. Tại ωt = ν = α người ta truyền tín hiệu điều khiển đến T1 1, van T1 đủ 2 điều kiện để mở nên nó sẽ mở.Van T1 mở thì điện áp trên T1 giảm về bằng không, do vậy ta có ud=u21 >0, dẫn đến D0 bị đặt điện áp ngược (uDo=-ud) và khoá lại, van T2 còn ở trạng thái khoá nên trong sơ đồ từ thời điểm ωt=ν1 chỉ có mình van T1 dẫn dòng. Trong khoảng T1 dẫn dòng ta có:

ud=u21; uT1=0; uT2=u22 - u21 =2u22; iT1=id=Id; iT2=0; iDo=0;

Đến ωt = π thì u = 0 và bắt đầu chuyển sang âm, còn u21 22 = 0 và bắt đầu chuyển sang dương. Từ thời điểm này điện áp nguồn tác động ngược chiều dẫn dòng của T1 và đặt điện áp thuận lên T2 nhưng T2 chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển.Với trường hợp sơ đồ không có D0 như đã xét thì giai đoạn tiếp van T1 vẫn dẫn dòng do tác dụng của s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong L

65

Hình 2.20 Đồ thị điện áp, dòng điện minh hoạ nguyên lý làm việc của sơ đồ

uT1 (nÐt ®Ëm)

ωt

ud (nÐt ®Ëm) u22u21u

0

α αα

2π

ν3ν2=ν1=

π

iT1

ν2ν1 ν3 ωt 0

2π π

ν3ν2ν1= ωt0 Id

uT1

2u21

u21

Idωt

iT2

0

Id/kba ωt i1

0

Id ωt iDo

0

d và u < 0, nhưng trong sơ đồ có Dd 0 thì u = -uDo d nên u < 0 thì Dd 0 sẽ được đặt điện áp thuận và D0 sẽ mở. Do giả thiết bỏ qua sụt điện áp trên diode dẫn dòng nên ngay tại thời điểm uDo= 0 và có xu hướng chuyển sang dương thì D0 đã mở, tức là D bắt đầu mở tại ωt = π. Khi D0 0 mở thì điện áp trên nó giảm về bằng không nên u = -u = 0, do vậy u = ud Do T1 21 và bắt đầu chuyển sang âm, T1 khoá lại mà T2 vẫn khoá nên lúc này trong sơ đồ chỉ có van D0 dẫn dòng và ta có:

ud=0; uT1=u21; uT2=u22;

iT1=0; iT2=0; iDo= id=Id; Tại ωt=ν2=π +α thì T2 có tín hiệu

điều khiển và do đang có điện áp thuận nên T2 mở.Van T2 mở thì sụt áp trên nó giảm về bằng không, do vậy ud = u22 > 0 và uDo=-ud =-u22<0, tức là diode không bị đặt điện áp ngược nên D0 khoá lại. Trong giai đoạn tiếp từ ωt = ν2 = π + α thì trong sơ đồ chỉ có van T2 dẫn dòng và ta có:

ud=u22; uT1= u21 - u22 =2u21; uT2=0; iT1=0;

iT2= id=Id; iDo=0 Từ ωt = 2π đến ωt = ν3 = 2π + α

cũng tương tự như giai đoạn ωt = π đến ωt=ν2=π +α, van D0 làm việc dưới tác dụng của s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong Ld, các biểu thức cũng giống như đã nêu.

Tại ωt=ν3=2π +α van T1 lại có tín hiệu điều khiển, T1 lại mở, sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc giống như từ ωt=ν1. Giai đoạn từ ωt=0 đến ωt=ν1 có thể suy ra từ giai đoạn từ ωt=2π đến ωt=ν3=2π +α, van D0 dẫn (hoàn toàn phù hợp với giả thiết ban đầu ).

Đồ thị điện áp, dòng điện minh hoạ nguyên lý làm việc của sơ đồ biểu diễn trên hình 2.20. • Một số biểu thức: (1 cos ) / 2d doU U α= + ; max 22.TthU = U ;

max 22. 2.TngU = U ; max 22.DongU U= ;

( ) / 2Ttb dI I π α π= − ; ( ) / 2T dI I π α π= − ; ( / 2)Dotb dI I α= ; /Do dI I α π=

II.2.1.4 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha

a/- Sơ đồ không có diode không (D0) • Sơ đồ nguyên lý: (như hình 2.21)

iT1T1iaa * *

BA iA

iB

iC

A

T2ibB iT2b * *

icc * * C iT3

Ed Ld Rdid

T3udK O

Hình 2.21 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha

Đây là sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha không có diode không. Trong sơ đồ này: - BA là máy biến áp 3 pha dùng để cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu. - Các thyristor T1, T2, T3 dùng để biến điện áp xoay chiều 3 pha bên thứ cấp máy biến áp BA là ua, ub, uc thành điện áp một chiều trên tải ud . - Rd, Ld, Ed là các phần tử phụ tải của bộ chỉnh lưu. - iA, iB, iC dòng các pha cuộn dây sơ cấp của BA.

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

iT1=ia

0π

2π

ν4ν3ν2ν1

2π

uT1

uacuab

0π 2π

ν4ν3ν2ν1

iT3=ic

0π

ν4ν3ν2ν1

2π iA

0π 2π

ν4ν32Id/ (3kba) ν1

Id/ (3kba)

iB

0π 2π

ν4ν3ν2ν1

iC

0π 2π

ν4ν3ν2ν1

iT2=ib

0π

ν4ν3ν2ν1 Id

ωt

u

0π 2π

α α αud

ucub

ud (nÐt

uaα

ν4ν3ν2ν1

Hình 2.22 Đồ thị điện áp, dòng điện minh hoạ nguyên lý làm việc của sơ đồ

- ia, ib, ic dòng các pha cuộn dây thứ cấp của BA - iT1, iT2, iT3 dòng các van chỉnh lưu. - id dòng điện chỉnh lưu. • Nguyên lý làm việc: Ở đây ta chỉ xét một trường hợp là khi giả thiết Ld =∞, cho sơ đồ làm việc với một góc điều khiển bằng α và cũng giả thiết là sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm bắt đầu xét (ωt=0):

Ta tạm giả thiết rằng: trước thời điểm ωt=ν1=α thì trong sơ đồ van T3 đang dẫn dòng và các van khác còn ở trạng thái khoá, khi đó trên van T1 sẽ có điện áp thuận (vì uT1=ua-uc=uac, và tại ωt=ν1=α thì uac>0 nên uT1>0). Tại ωt=ν1=α thì T1 có tín hiệu điều khiển, T1 có đủ hai điều kiện để mở nên T1 mở và uT1 giảm về bằng không. Do uT1= 0 nên ud =ua, và từ sơ đồ ta xác định được điện áp trên T3 là uT3= uc-ua=uac, tại ν1 thì uca<0, tức là T3 bị đặt điện áp ngược nên khoá lại, van T2 thì vẫn khoá, do vậy trong khoảng tiếp sau ν1 trong sơ đồ chỉ có van T1 dẫn dòng, khi T1 dẫn dòng:

ud=ua; iT1=id=Id; iT2=0; iT3=0; uT1=0; uT2=uba; uT3=uca

66

Đến ωt=5π/6 thì ua = ub, đây là thời điểm mở tự nhiên đối với T2 nhưng T2 chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, do ua vẫn dương kết hợp với tác dụng cùng chiều của s.đ.đ. tự cảm trong Ld mà T1 vẫn tiếp tục dẫn dòng.

Đến ωt=π thì ua=0 và sau đó chuyển sang âm nhưng T2 còn chưa mở nên T1 vẫn tiếp tục làm việc nhờ s.đ.đ. tự cảm của Ld (ở đây α>300).

Tại ωt=ν2=5π/6 +α thì T2 có tín hiệu điều khiển và do đang có điện áp thuận nên T2 mở, T2 mở thì uT2 giảm về bằng không nên ud = ub và uT1 = ua-ub=uab mà tại ν2 thì uab <0, tức là T1 bị đặt điện áp ngược nên khoá lại. Do vậy từ ν2 trong sơ đồ chỉ có van T2 dẫn dòng, khi T2 mở:

ud=ub; iT1=0; iT2= id=Id; iT3=0; uT1= uab; uT2=0; uT3= ucb

Suy luận tương tự như vậy ta có từ ωt=ν2 ÷ ωt=ν3 thì T3 làm việc và: ud=uc; iT1=0; iT2=0; iT3= id=Id; uT1= uac; uT2= ubc; uT3= 0

Tại ωt=ν4 thì T1 lại có tín hiệu điều khiển, T1 lại mở và sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc giống như từ ωt=ν1. Từ tính chất lặp đi lặp lại trạng thái làm việc của sơ đồ chỉnh lưu ta suy ra giai đoạn ωt=0 ÷ ωt=ν1 cũng tương tự giai đoạn ωt=2π÷ωt=ν4, mà giai đoạn ωt=2π ÷ ωt=ν4 lại nằm trong giai đoạn ωt=ν3 ÷ ωt=ν4: van T3 dẫn dòng, điều này hoàn toàn phù hợp với giả thiết ban đầu.

Do đặc điểm là dòng bên thứ cấp máy biến áp cung cấp chỉ đi theo một chiều bởi tính dẫn dòng một chiều của các van nên dòng sơ cấp BA phụ thuộc vào sơ đồ nối dây máy biến áp. Ta sẽ tiến hành xác định biểu thức dòng sơ cấp BA trong 2 trường hợp: Khi máy biến áp nối Y/Y

67

0: Ta có sơ đồ nối của máy biến áp trong

trường hợp này như hình 2.23. iaa * *

BA

iA

iB

iC

A

ibB b * *

icc * * C

Hình 2.23

Để tìm các dòng sơ cấp iA, iB, iC theo dòng thứ cấp ia, ib, ic ta viết các phương trình kiếc hốp 1 cho mạch điện đối với điểm trung tính cuộn dây sơ cấp và các phương trình kiếc hốp 2 cho 2 vòng mạch từ như trên hình 2.23.

Từ sơ đồ hình 2.21 ta có: ia=iT1; ib=iT2; ic=iT3.

o Khi van T1 dẫn dòng: (ia=id; ib=ic=0): Ta có các phương trình ở khoảng này là:

iA +iB+ iC =0 (*) w1.iA -w2.ia-w1.iB =0 (**) w1.iB -w1.iC =0 (***)

Giải kết hợp 3 phương trình trên ta được: iA = (2/3kba).ia; iB = - (1/3kba).ia; iC = - (1/3kba).ia

o Khi van T2 dẫn dòng: (ia=0; ib=id; ic=0): Viết các phương trình tương tự ta tìm được:

iA = - (1/3kba).ib; iB = (2/3kba).ib; iC = - (1/3kba).ib o Khi van T2 dẫn dòng: (ia=0; ib=0; ic= id): Ta cũng tiến hành viết các phương

trình tương tự và tìm được: iA = - (1/3kba).ic; iB = - (1/3kba).ic; iC = (2/3kba).ic

Với: kba=w1/w2 là tỉ số máy biến áp.

Trong cả 3 khoảng tương ứng với 3 van làm việc ta đều có sức từ động (s.t.đ.) tổng hợp trong lõi thép các pha máy biến áp là:

FOA= FOB= FOC= (1/3)w2.id Các s.t.đ. này hướng cùng một chiều nên không khép vòng trong mạch từ của

máy biến áp mà khép vòng qua môi trường chung quanh máy biến áp. Nếu dòng tải không được san phẳng (Ld≠∞) thì sẽ gây nên các tổn thất phụ trong phần vỏ kim loại bao quanh máy biến áp. Mặt khác các s.t.đ. một chiều này sẽ gây nên hiện tượng bão hoà từ, ảnh hưởng đến sự làm việc của máy biến áp. Do vậy, để tránh bão hoà thì lõi thép của máy biến áp phải có kích thước lớn hơn so với tính toán. Trường hợp máy biến áp nối Δ/Y

68

Hình 2.24

ia

a * *

BA iABiA

iBCiB

iCA

iC

Aib

B b * * ic

c * * C

0: Sơ đồ nối dây máy biến áp trong trường hợp này như hình 2.24. Do cuộn dây máy biến áp nối Δ nên dòng điện trong từng pha cuộn sơ cấp độc lập nhau. Trong trường hợp này ta dựa vào nguyên lý hoạt động của máy biến áp ta có:

iAB = (ia - Id/3)/kba; iBC = (ib - Id/3)/kba; iCA = (ic - Id/3)/kba

Trong đó ia, ib, ic là dòng điện tổng trong các cuộn dâythứ cấp máy biến áp; iAB, iBC, iCA là dòng điện trong các cuộn dây sơ cấp máy biến áp; Id/3 là thành phần một chiều của dòng điện trong mỗi cuộn thứ cấp. Các dòng điện dây iA, iB, iC (dòng điện lưới) được xác định như sau:

iA = iAB - iCA; iB = iBC - iAB; iA = iCA - iBC Sức từ động tổng hợp trong lõi thép máy biến áp:

FOA= FOB= FOC= (1/3)w2.Id Như vậy trong lõi thép máy biến áp ở trường hợp này cũng xuất hiện thành

phần s.t.đ. từ hoá cưỡng bức (s.t.đ. một chiều), điều này cũng gây khó khăn cho sự làm việc của mạch từ, dễ gây nên bão hoà từ. Để tránh sự bão hoà từ khi bộ chỉnh lưu làm việc ta phải tăng kích thước lõi thép so với tính toán. Đối với trường hợp cuộn dây sơ cấp BA nối Δ thì do s.t.đ. từ hoá cưỡng bức không đập mạch theo dòng tải nên không gây nên các tổn thất phụ (do dòng xoáy) khi dòng tải không được san phẳng như ở trường hợp cuộn dây sơ cấp nối hình Y. • Các biểu thức tính toán cơ bản:

.cosd doU U α= ; 2 2(3 6 / 2 ). 1,17doU Uπ= ≈ U ; max max 26.Tth TngU U U= =

/ 3Ttb dI I= ; / 3T dI I= Dòng hiệu dụng cuộn dây sơ và thứ cấp máy biến khi tổ nối dâyY/Y0

2 / 3T dI I I= = ; 1 /( . 3)d baI I k=

Xác định công suất tính toán máy biến áp khi tổ nối dây là Y/Y0 và Δ/Y0: 1 1 13 2 . /(3.d dS U I U Iπ= = 3) ; 2 2 23 2. . . /(3.d dS U I U Iπ= = 2)

1 2( ) / 2 /(3. 6)( 3 2). 1,355. .ttBA d d d dS S S U I Uπ= + = + ≈ I b/- Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha có diode không D0

• Sơ đồ nguyên lý

69

Hình 2.26 Đồ thị điện áp, dòng điện minh hoạ nguyên lý làm việc của sơ đồ

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

iT1=ia

0π 2π

ν4ν3Id

ud (nÐt ®Ëm)

ν2

Id

Id

Id

ν1

iT2=ib

0π 2π

ν4ν3ν2ν1

iT3=ic

0π 2π

ν4ν3ν2ν1

iDo

0π 2π

ν4ν3ν2ν1

uT1

uab uac

ua

0π 2π

ν4

ν3ν2ν1

ωt

7π/35π/3 ππ/3 2π

u

0

α α α uducubua α

ν4ν3ν2ν1

iT1T1

T2iT2

iT3T3

O ud

Ed Ld Rd id

u

ia

a * * BA iA

iB

iC

A ib

B b * * icc * * C

iDoD0

K

Hình 2.25

Trong sơ đồ này (hình 2.25) có thêm diode không D0, còn các phần tử khác thì hoàn toàn tương tự như sơ đồ hình 2.21. • Nguyên lý làm việc Ta giả thiết sơ đồ có Ld=∞, sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm bắt đầu xét. Với sơ đồ này, tuỳ thuộc vào giá trị góc điều khiển α mà có thể xẩy ra 2 trường hợp:

0 Khi 30 ≥ α ≥ 00 thì van D0 không làm việc nên hoạt động của sơ đồ hoàn toàn giống như khi không có D0, lúc đó các biểu thức tính toán giống như khi không có D0: Ud = Udo.cosα

0 0 Khi 150 ≥ α >30 lúc này D0 sẽ làm việc, sự làm việc của sơ đồ được tóm tắt như sau:

− Từ ωt=0÷ωt=π/3 van T3 dẫn dòng, ta có: ud=uc; iT1=0; iT2=0; iT3= id=Id; iDo=0; uT1=uac; uT2=ubc; uT3=0;

− Các khoảng: Từ ωt = π/3 ÷ ωt = ν1 = π/6 + α, từ ωt = π ÷ ωt = ν2, từ ωt=5π/3÷ωt=ν3, từ ωt=7π/3÷ωt =ν4 van D0 dẫn dòng:

ud=0; iT1=0; iT2=0; iT3=0; iDo= id=Id; uT1=ua; uT2=ub; uT3=uc;

− Từ ωt=ν1=π/6+α ÷ωt =π van T1 dẫn dòng:

ud=ua; iT1= id=Id; iT2=0; iT3=0; iDo=0; uT1=0; uT2=uba; uT3=uca;

− Từ ωt=ν2÷ωt =5π/3 van T2 dẫn dòng:

ud=ub; iT1=0; iT2= id=Id; iT3=0; iDo=0; uT1= uab; uT2=0; uT3=ucb;

− Từ ωt=ν3÷ωt =7π/3 van T3 dẫn dòng:

ud=uc; iT1=0; iT2=0; iT3= id=Id; iDo=0; uT1=uac; uT2=ubc; uT3=0;

− Từ ωt=ν4 thì van T1 lại dẫn dòng,sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc giống như từ ωt=ν1. Một số đồ thị minh hoạ nguyên

lý hoạt động của sơ đồ được biểu diễn như hình 2-26.

c/- Một số biểu thức tính toán [1 cos( 30 )]/ 3o

d doU U α= + +

70

(5 / 6 ) / 2Ttb dI I π α π= − ; (5 / 6 ) / 2T dI I π α π= − .3.( / 6) / 2Dotb dI I α π π= − ; 3.( / 6) / 2Do dI I α π π= −

max 22.TthU U= ;

max 26.TngU U= ;

max 22DongU U=

II.2.1.5 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 6 pha a/- Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 6 pha không có cuộn kháng cân bằng Các sơ đồ chỉnh lưu hình tia 6 pha bình thường hầu như không được sử dụng. Người ta chủ yếu chỉ dùng sơ đồ hình tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng. Tuy vậy để tiện lợi cho việc nghiên cứu sơ đồ hình tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng ta giới thiệu qua về sơ đồ hình tia 6 pha. Sơ đồ nguyên lý như hình 2.27a.

C B A

iCiBiA

BA

Oid

Rdb2b1a1

a2c1

ia1ud

ic2

c2

ib2ia2ic1ib1

Ld

T5T3T1 T2T6T4

Ed iT2iT6iT4iT5iT3iT1

K

* * *

* * *

* * *

AC

CB Ba1

a2

c1

c2

b1

b2

b a

c

Hình 2.27

Trong sơ đồ này bao gồm: − BA là máy biến áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, ngoài nhiệm vụ bình

thường như ở các sơ đồ khác thì trong sơ đồ này BA còn có nhiệm vụ là tạo ra hệ thống điện áp xoay chiều 6 pha khi nguồn cung cấp là hệ thống 3 pha. Để thực hiện được nhiệm vụ này máy biến áp có cấu tạo mỗi pha có 1 cuộn sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp đấu như hình vẽ và phía thứ cấp hình thành 2 nhóm gồm a1, b1, c1 và a2, b2, c2 mà mỗi nhóm là một hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha, thêm nữa do cách đấu dây mà ua1 lệch pha 1800 so với ua2 nên kết quả ta có hệ thống điện áp xoay chiều 6 pha như đã minh hoạ bởi đồ thị véc tơ trên hình 2.27a và 2.27c.

− Các thyristor từ T1 đến T6 làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều 6 pha thành điện áp một chiều.

− Ed, Rd, Ld là phụ tải.

Nguyên lý làm việc của sơ đồ như trường hợp tổng quát đã nêu. Trong trường hợp này ta có:

71

.cosd doU U α= ; 2(3. 2 / ).doU Uπ= / 6Ttb dI I= ; / 6T dI I=

Do ở mỗi thời điểm trong sơ đồ chỉ có một van dẫn dòng nên trong mạch từ máy biến áp cung cấp BA cũng xuất hiện thành phần s.t.đ. từ hoá cưỡng bức buộc ta phải tăng kích thước lõi thép so với tính toán để tránh bão hoà từ. b/- Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu như hình 2.28, khác với sơ đồ hình 2.27 ở chỗ trong sơ đồ này có thêm cuộn kháng cân bằng CKB gồm 2 nửa mắc giữa điểm trung tính của 2 nhóm cuộn thứ cấp máy biến áp. Nhờ có cuộn kháng này mà sơ đồ hoạt động như hai bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha độc lập và chung tải, vì vậy trong sơ đồ này độ dài dẫn dòng của mỗi van không phải là 1/6 chu kỳ như trường hợp trước mà trong một chu kỳ nguồn mỗi van sẽ dẫn dòng một khoảng bằng 1/3 chu kỳ. Đặc điểm vừa nêu của sơ đồ làm triệt tiêu được thành phần s.t.đ. từ hoá cưỡng bức mà nó xuất hiện trong sơ đồ 6 pha bình thường, vì vậy mà mạch từ không bị bão hoà, đây là ưu điểm nổi bật của sơ đồ này so với sơ đồ hình 2.27. Trên cuộn kháng cân bằng CKB sụt một điện áp bằng hiệu giá trị tức thời của điện áp ra 2 sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha:

uk =ud1 - ud2 Trong đó: uk, ud1, ud là điện áp trên cuộn kháng, điện áp chỉnh lưu của sơ đồ

hình tia 3 pha thứ nhất gồm T1, T3, T5 và điện áp chỉnh lưu của sơ đồ hình tia 3 pha thứ hai gồm T2, T4, T6 .

Điện áp chỉnh lưu tức thời trên tải được xác định như sau: ud1 -uk/2 = ud2 - uk/2 = (ud1 + ud2)/2

CKB

O

id

Rd

ud

uk

ud1 ud2

Ld

Ed

ia1

c1b1a1

ic1ib1

T5T3T1

iT5iT3iT1

* * *

ic2

T2

iT2

* * *

c2b2a2

ib2ia2

T6T4

iT6iT4

* *

BA

C B A

iCiBiA

* * *

Hình 2.28

Ta có:

.cosd doU U α= ; 21,17.doU U≈ ; max max 26.Tth TngU U= = U

/ 6Ttb dI I= ; / 6T dI I=

II.2.2 Các sơ đồ chỉnh lưu hình cầu II.2.1.1 Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha a/- Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn • Sơ đồ nguyên lý Giới thiệu các phần tử trên sơ đồ:

72

− BA là máy biến áp cung cấp, với sơ đồ cầu 1 pha thì có thể dùng hoặc không dùng máy biến áp.

− Các van có điều khiển T1 ÷T4 dùng để biến điện áp xoay chiều thành một chiều, 4 van này được phân làm hai nhóm: nhóm Cathode chung gồm T1 và T3, nhóm anode chung gồm T2 và T4.

iT3iT1

T3T1BA Rdi2i1

ud Ld

EdiT4 iT2

idT4 T2

u2u1

Hình 2.29

− Ed, Rd, Ld là các phần tử phụ tải. − u1, u2 là điện áp trên cuộn sơ cấp (điện áp lưới) và điện áp cuộn thứ cấp − i1, i2 là dòng điện cuộn sơ cấp (dòng điện lưới) và dòng điện cuộn thứ cấp. − Dòng, áp các phần tử khác tương tự như các sơ đồ khác. • Nguyên lý làm việc của sơ đồ Ta xét nguyên lý làm việc của sơ đồ trong trường hợp giả thiết phụ tải có Ld=∞, và xem rằng sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm ta bắt đầu xét. Với đồ thị điện áp nguồn và giá trị góc điều khiển α như trên hình 2.30a có nguyên lý làm việc của sơ đồ như sau:

Giả thiết là trong khoảng lân cận phía trước thời điểm ωt=ν1=α thì trong sơ đồ hai van T3 và T4 đang dẫn dòng. Tại ωt=ν1=α thì 2 van T1 và T2 đồng thời có tín hiệu điều khiển, lúc đó điện áp trên 2 van này đều thuận (uT1=uT2=u2) do vậycả 2 van cùng mở. Hai van T1,T2 mở nên sụt điện áp trên chúng giảm về bằng không và ta có: ud=u2; uT3=uT4=-u2 và tại ωt=ν1=α thì u2>0, tức là T3,T4 bị đặt điện áp ngược và khoá lại. Từ thời điểm này (ωt=ν1) trong sơ đồ chỉ có 2 van T1, T2 dẫn dòng. Khi 2 van T1, T2 làm việc thì: ud = u2; uT1 = uT2 = 0; uT3 = uT4 = -u2;

iT1 = iT2 = id = Id; iT3 = iT4 =0; Đến ωt=π thì u2=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ âm nên nó tác động

ngược với chiều dòng qua T1 và T2, đồng thời trên T3 và T4 lúc này có điện áp thuận nhưng T3 và T4 chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, vì vậy mà T1 và T2 tiếp tục dẫn dòng bởi s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong Ld do dòng tải có xu hướng giảm. Do T1 và T2 vẫn mở nên các biểu thức áp và dòng trên các phần tử của sơ đồ vẫn giữ nguyên như trên.

Tại ωt=ν2=π+α thì T3 và T4 đồng thời có tín hiệu điều khiển,trên 2 van đang có điện áp thuận nên T3 và T4 cùng mở. Hai van T3, T4 mở nên sụt điện áp trên chúng giảm về bằng không và ta có: ud= -u2; uT1=uT2=u2 và tại ωt=ν2=π+α thì u2 < 0, tức là T1, T2 bị đặt điện áp ngược và khoá lại. Từ thời điểm này (ωt=ν2) trong sơ đồ chỉ có 2 van T3, T4 dẫn dòng. Khi 2 van T3, T4 cùng làm việc thì:

ud= -u2; uT1= uT2= u2; uT3=uT4=0;

iT1=iT2=0; iT3=iT4= id=Id; Đến ωt=2π thì u2=0 và bắt đầu

chuyển sang nửa chu kỳ dương và nó tác động ngược với chiều dòng qua T3 và T4, đồng thời trên T1 và T2 lúc này có điện áp thuận nhưng T1 và T2 chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, nên s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong Ld vẫn làm cho T3 và T4 tiếp tục dẫn dòng.

Hình 2.30

ωt

-u2ud (nÐt ®Ëm) u2u

0

α α α

2π

ν3=ν2=ν1=

ν3=ν2=ν1=

π

ωt iT1= iT2

0 Id

2π π

ν2=ν1= ν3= ωt 0 2π

π

Idν1= ωt

iT3= iT4

02π π

uT1=uT2

Id/kbaν1= ωt i1

0 2π π

Đến ωt=ν3=2π+α thì T1 và T2 lại đồng thời có tín hiệu điều khiển và T1 và T2 lại cùng làm, T3 và T4 bị đặt điện áp ngược và khoá lại. Từ thời điểm này sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc như từ ωt=ν1=α.

Giai đoạn ωt=0 ÷ ν1 có thể suy ra từ giai đoạn ωt=2π ÷ ν3 do tính chất lặp đi lặp lại khi sơ đồ làm việc, ta thấy rằng nó hoàn toàn phù hợp với giả thiết ban đầu là T3 và T4 dẫn dòng.

Tóm tắt sự làm việc của sơ đồ trong hơn 1 chu kỳ như sau:

Từ ωt=0 ÷ ωt=ν1 và từ ωt=ν2÷ωt=ν3 thì 2 van T3 và T4 dẫn dòng: ud= -u2; uT1= uT2= u2; uT3=uT4=0; iT1=iT2=0; iT3=iT4= id=Id;

Từ ωt=ν1÷ωt=ν2 thì 2 van T1 và T2 dẫn dòng: ud=u2; uT1=uT2=0; uT3=uT4=-u2; iT1=iT2=id=Id; iT3=iT4=0; Dòng điện cuộn dây thứ cấp và sơ cấp được xác định như sau:

i2=iT1-iT4=iT2-iT3; i1 = i2/ kba Đồ thị dòng và áp một số phần tử trong sơ đồ được biểu diễn trên hình 2.30

• Các biểu thức cơ bản

73

cosd doU U α= , 2 2(2 2 / ). 0,9.doU Uπ= ≈ U Trong đó U2 giá trị hiệu dụng của điện áp bên thứ cấp BA.

/ 2Ttb dI I= ; / 2T dI I= ; max max 22.Tth TngU U= = U ;

2 dI I=

1 /d baI I k=

b/- Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha có diode không (D0)

iT3iT1

T3T1BA i2i1

iT4 iT2

T4 T2

iDo ud

D0u2

u1

Rd

Ld

Ed

id

Hình 2.31

• Sơ đồ nguyên lý như hình 2.31 Sơ đồ này chỉ khác với sơ đồ hình 2.29 là trong sơ đồ có thêm van D0. Sơ đồ này trong thực tế ít được sử dụng

vì có các sơ đồ khác đơn giản hơn mà có dạng điện áp chỉnh lưu hoàn toàn tương tự. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ cũng giống như các sơ đồ có D0 nói chung, còn dạng điện áp chỉnh lưu tức thời thì giống như sơ đồ hình tia 2 pha có D0, dạng dòng qua thyristor và diode không cũng tương tự. Ta có các biểu thức tính toán cơ bản cho trường hợp phụ tải có Ld=∞ như sau: ;

74Hình 2.33

ωt iT1

b 0 Id

ωt h 0

uT1

iT2

Id ωt c 0

Id/kbaωt g 0

ωt i 0

uD1

iD1

Id ωt d 0

iD2

Id ωt e 0i1

ud (nÐt ®Ëm)

ωt

-u2u2u

a 0

α α α

2π

ν3=ν2=ν1=

π

(1 cos ) / 2d doU U α= + max 22.TthU U= ; max 22.TngU U= ; max 22DongU U=

( ) / 2Ttb dI I π α π= − ; ( ) / 2T dI I π α π= − ; I I ( / )Dotb d ; /Do dI I α π== α π

c/- Các sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha dùng 2 diode và 2 thyristor (2D-2T) (Các sơ đồ bán điều khiển)

Khi nghiên cứu các sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha người ta thấy có một số sơ đồ cho dạng điện áp ra như sơ đồ có diode không nhưng có kết cấu gọn hơn, đó là các sơ đồ dùng 2 van có điều khiển (thyristor) và 2 van không điều khiển (diode).Tuỳ thuộc cách mắc các van mà có 2 kiểu sơ đồ khác nhau.

iD1iT1

D1T1BA Rdi2

i1

ud Ld

EdiT2 iD2

idT2 D2

u2u1

Hình 2.32

c.1/- Sơ đồ thứ nhất • Sơ đồ nguyên lý

Trong sơ đồ hình 2.32 hai van có điều khiển được mắc ở hai nhóm van khác nhau và anode của van ở nhóm Cathode chung nối với Cathode của van ở nhóm anode chung, hai van không điều khiển cũng mắc tương tự.

• Nguyên lý làm việc Cũng như các sơ đồ có diode không, sơ đồ chỉnh lưu dùng hai diode và hai thyristor chỉ làm việc có hiệu quả khi có điện cảm lớn trong mạch tải.Do vậy ở đây ta xét một trường hợp khi phụ tải có Ld=∞. Đồ thị biểu diễn điện áp chỉnh lưu,dòng các van, điện áp trên 2 van dùng để minh hoạ cho sự làm việc của sơ đồ được cho trên hình 1-31.

Ta giả thiếtrằng từ ωt=0 đếnωt<ν1=α thì 2 van D1, D2 đang dẫn dòng dưới tác dụng của s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong Ld. Tại ωt=ν1=α ta truyền tín hiệu điều khiển đến mở van T1, lúc này T1 đang có điện áp thuận

(vì khi D1 mở thì uT1=u2 và tại ν1=α thì u2>0) nên đủ 2 điều kiện để mở. Van T1mở thì điện áp trên nó giảm về bằng không nên ta có uD1=-u2<0, tức là D1 bị đặt điện áp ngược và khoá lại,từ thời điểm này trong sơ đồ có 2 van là T1 và D2 dẫn dòng, điện áp nguồn xoay chiều u2 tác động thuận chiều dẫn dòng của 2 van này. Khi T1 và D2 cùng dẫn dòng ta có:

ud = u2; iT1 = id = I d; iT2 = 0; iD1 = 0; iD2 = id = I d; uT1 = 0; uT2 = -u2; uD1 = -u2; uD2 = 0; Đến ωt=π thì u2=0 và bắt đầu chuyển sang âm, u2 bắt đầu đặt điện áp thuận lên

T2 và D1, do T2 chưa có tín hiệu điều khiển nên chưa mở, còn D1 là diode nên D1 sẽ mở. Van D1 mở thì điện áp trên nó giảm xuống bằng không, và ta có uT1 = u2, mà tại ωt=π thì u2 đang chuyển sang âm nên T1 sẽ bị đặt điện áp ngược và sẽ khoá lại.Vậy từ ωt=π trong sơ đồ có 2 van là D1 và D2 cùng dẫn dòng. Khi 2 diode cùng làm việc, ta có:

ud = 0; iT1 = 0; iT2 = 0; iD1 = id = I d;

iD2 = id = I d; uT1 = u2; uT2 = -u2; uD1 = 0; uD2 = 0; Tại ωt=ν2=π+α thì van T2 có tín hiệu điều khiển, lúc đó T2 đang có điện áp

thuận, T2 mở. Van T2 mở thì uT2 giảm về bằng không nên uD2= u2<0, tức là D2 bị đặt điện áp ngược và sẽ khoá lại, do vậy từ ωt=ν2 trong sơ đồ chỉ có 2 van là T2 và D1 cùng dẫn dòng. Khi 2 van T2 và D1 cùng làm việc, ta có:

ud = -u2; iT1 = 0; iT2 = id = I d; iD1 = id = I d; iD2 = 0; uT1 = u2; uT2 = 0; uD1 = 0; uD2 = u2; Đến ωt=2π thì u2=0 và bắt đầu chuyển sang dương, u2 bắt đầu đặt điện áp thuận

lên T1 và D2, do T1 chưa có tín hiệu điều khiển nên chưa mở, còn D2 là diode nên D2 sẽ mở. Van D2 mở thì điện áp trên nó giảm xuống bằng không, và ta có uT2=-u2, mà tại ωt=2π thì u2 đang chuyển sang nửa chu kỳ dương nên T2 sẽ bị đặt điện áp ngược và sẽ khoá lại. Vậy từ ωt=2π trong sơ đồ có 2 van là D1 và D2 cùng dẫn dòng. Khi 2 diode cùng làm việc, ta lại có:

ud = 0; iT1 = 0; iT2 = 0; iD1 = id = I d; iD2 = id = I d; uT1 = u2; uT2 = -u2; uD1 = 0; uD2 = 0; Tại ωt=ν2=2π+α thì van T1 lại có tín hiệu điều khiển, lúc đó T1 đang có điện áp

thuận, T1 mở. Van T1 mở thì uT1 giảm về bằng không nên uD1=-u2<0, tức là D1 bị đặt điện áp ngược và sẽ khoá lại, do vậy từ ωt=ν3 trong sơ đồ chỉ có 2 van là T1 và D2 cùng dẫn dòng, sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc giống như từ ωt=ν1.

• Các biểu thức cơ bản 2/)cos1( α+= dod UU

παπ 2/)( −= dT IIπαπ 2/)( −= dTtb II ;

75

max 22.TthU U= ; max 22.TngU U=

.( ) / 2Dtb dI I π α π= + ; . ( ) / 2D dI I π α π= +

2max .2 UU Dng =

c.2/- Sơ đồ thứ hai • Sơ đồ nguyên lý

76

Hình 2.34

iT2iT1

T2T1BA Rdi2

**

i1

ud Ld

EdiD1 iD2

idD1 D2

u2u1

Trong sơ đồ này 2 van có điều

khiển được bố trí ở cùng một nhóm van, nhóm còn lại là 2 van không điều khiển (diode)

• Nguyên lý làm việc

Hình 2.35

ωt iT1

b 0 Id

ωt h 0

uT1

iT2

Id ωt c 0

Id/kba

ωt g 0

ωt i 0

uD1

iD1

Id ωt d 0

iD2

Id ωt e 0i1

ud (nÐt ®Ëm)

ωt

-u2u2u

a 0

α α α

2π

ν3=ν2=ν1=

π

Giả thiết Ld=∞. Ta tạm giả thiết rằng trước thời điểm ωt=ν1=α thì trong sơ đồ đang có hai van là T2 và D2 làm việc, lúc đó ta có uT1=u2>0 nhưng T1 còn chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển. Tại ωt=ν1=α thì T1 có tín hiệu điều khiển và đã có đủ 2 điều kiện để mở, van T1 mở và sẽ dẫn dòng cùng van D2 đang làm việc. Do T1 mở nên uT1 giảm về bằng không, vì vậy uT2=-u2<0 tức là T2 bị đặt điện áp ngược nên T2 khoá lại. Từ ωt=ν1=α thì trong sơ đồ chỉ có T1 và D2 làm việc. Khi T1 và D2 cùng dẫn dòng ta có:

ud = u2; iT1 = id = I d; iT2 = 0; iD1 = 0; iD2 = id = I d; uT1 = 0; uT2 = -u2; uD1 = -u2; uD2 = 0; Đến ωt=π thì u2=0 và bắt đầu

chuyển sang âm, u2 bắt đầu đặt điện áp thuận lên T2 và D1, do T2 chưa có tín hiệu điều khiển nên chưa mở, còn D1 là diode nên D1 sẽ mở. Van D1 mở thì điện áp trên nó giảm xuống bằng không, và ta có uD2 = u2, mà tại ωt=π thì u2 đang chuyển sang âm nên D2 sẽ bị đặt điện áp ngược và sẽ khoá lại. Mặt khác do T2 chưa mở mà điện cảm Ld có giá trị rất lớn (ta đang giả thiết Ld=∞) nên s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong Ld để tiếp tục duy trì dòng tải sẽ làm cho T1 vẫn dẫn dòng. Vậy từ ωt=π trong sơ đồ có 2 van là T1 và D1 cùng dẫn dòng. Khi T1 và D1 cùng làm việc, ta có:

ud = 0; iT1 = id = I d; iT2 = 0; iD1 = id = I d; iD2 = 0; uT1 = 0; uT2 = -u2; uD1 = 0; uD2 = u2;

Tại ωt=ν2=π+α thì van T2 có tín hiệu điều khiển, lúc đó T2 đang có điện áp thuận, T2 mở. Van T2 mở thì

uT2 giảm về bằng không nên uT1= u2<0, tức là T1 bị đặt điện áp ngược và sẽ khoá lại, do vậy từ ωt=ν2 trong sơ đồ chỉ có 2 van là T2 và D1 cùng dẫn dòng. Khi 2 van T2 và D1 cùng làm việc, ta có:

ud = -u2; iT1 = 0; iT2 = id = I d; iD1 = id = I d; iD2 = 0; uT1 = u2; uT2 = 0; uD1 = 0; uD2 = u2;

Đến ωt=2π thì u2=0 và bắt đầu chuyển sang dương, u2 bắt đầu đặt điện áp thuận lên T1 và D2, do T1 chưa có tín hiệu điều khiển nên chưa mở, còn D2 là diode nên D2 sẽ mở. Van D2 mở thì điện áp trên nó giảm xuống bằng không, và ta có uD1=-u2, mà tại ωt=2π thì u2 đang chuyển sang dương nên D1 sẽ bị đặt điện áp ngược và sẽ khoá lại. Mặt khác do T1 chưa mở mà điện cảm Ld có giá trị rất lớn (ta đang giả thiết Ld=∞) nên s.đ.đ. tự cảm sinh ra trong Ld để tiếp tục duy trì dòng tải sẽ làm cho T2 vẫn dẫn dòng. Vậy từ ωt = 2π trong sơ đồ có 2 van là T2 và D2 cùng dẫn dòng. Khi T2và D2 cùng làm việc, ta có:

ud = 0; iT1 = 0; iT2 = id = I d; iD1 = 0; iD2 = id = I d; uT1 = u2; uT2 = 0; uD1 = -u2; uD2 = 0;

Tại ωt=ν2=2π+α thì van T1 có tín hiệu điều khiển, lúc đó T1 đang có điện áp thuận, T1 mở. Van T1 mở thì uT1 giảm về bằng không nên uT2=-u2<0, tức là T2 bị đặt điện áp ngược và sẽ khoá lại, do vậy từ ωt=ν3 trong sơ đồ chỉ có 2 van là T1 và D2 cùng dẫn dòng, sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc giống như từ ωt=ν1 .

Giai đoạn từ ωt=0÷ωt=ν1 sẽ hoàn toàn tương tự giai đoạn từ ωt=2π đến ωt=ν3, hai van T2 và D2 cùng dẫn dòng, điều này hoàn toàn trùng với giả thiết ban đầu.

Dòng qua cuộn dây thứ cấp và sơ cấp máy biến áp cung cấp BA được xác định như sau:

i2 = iT1 - iD1 = iD2 -iT2; i1 = i2/kba Đồ thị biểu diễn đường cong điện áp chỉnh lưu, dòng các van, điện áp 2 van T1

và D1, dòng điện cuộn dây sơ cấp BA như hình 2.35. • Các biểu thức cơ bản

77

U U (1 cos ) / 2d do α= + ; max 22TthU U= ; max 22TngU U= ; max 22DngU U=

; / 2Ttb dI I= / 2T dI I= ; / 2Dtb dI I= ; / 2D dI I=

Trong cả hai sơ đồ trên thì giá trị hiệu dụng dòng điện cuộn dây thứ cấp và sơ cấp giống nhau và được xác định bởi các biểu thức:

παπ /)(2 −= dII ; bakII /21 =

II.2.2.2 Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha a/- Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha 6 tiristo

• Sơ đồ nguyên lý iA

iT5 K

A

iT3iT1 id

ia

T1 T3 T5

Ra

udb ib

Lc ic

ET2T6T4iT4 iT6 iT2

**

**

*

BA

AiB

*

BiCC

hình 2.36

Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha (hình 2.36) gồm có: − BA là máy biến áp cung cấp cho sơ đồ

chỉnh lưu, trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha thì cũng có thể không cần sử dụng BA nếu nguồn cung cấp có điện áp phù hợp với yêu cầu của sơ đồ và không yêu

cầu cách ly về điện giữa mạch động lực bộ chỉnh lưu với nguồn điện xoay chiều. − Các van chỉnh lưu có điều khiển từ T1 ÷T6 dùng để biến đổi điện áp xoay chiều 3

pha bên thứ cấp BA là ua, ub, uc thành điện áp một chiều đặt lên phụ tải gồm Rd, Ld, Ed. Chỉ số của các van trong sơ đồ có khác so với trong sơ đồ tổng quát đã nêu: nhóm van kaôt chung thì ký hiệu như sơ đồ tổng quát còn nhóm van anode chung thì có sự đổi vị trí.

Cách ký hiệu như trên sơ đồ hình 2.36 có một ý nghĩa là chỉ số van trên sơ đồ nêu lên thứ tự làm việc của các van

78

• Nguyên lý làm việc

Ở đây ta xét một trường hợp với giả thiết điện cảm phụ tải là vô cùng lớn (Ld=∞).

Trong trường hợp dòng tải là liên tục thì 2 nhóm van trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha làm việc tương tự như hai sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha tương ứng. Dòng qua các van,điện áp trêncác van hoàn toàn giống như ở các sơ đồ tia 3 pha tương ứng. Để xác định điện áp chỉnh lưu tức thời ta có thể dựa vào các phương pháp khác nhau: ví dụ dựa vào thứ tự làm việc của các van ta xác định được trong từng khoảng thời gian 2 van nào của sơ đồ dẫn dòng ta sẽ tìm được ud bằng hiệu điện áp 2 pha mắc với 2 van dẫn dòng đó: hoặc ta có thể chọn điện thế điểm trung tính nguồn làm mốc (ϕO=0) lúc đó ta có thể tính được điện thế 2 điểm K và A trên sơ đồ hình

2π

2π

2π

iT2

2π 0 ωt

πd

iT1

0 ωt π

c

π

iT3

0 ωt e

Id

iT4

π

iT5

0 ωt h

0 ωt π

g

iB

0 ωt π 2π

l

iC

0 ωt π 2π

m

2π iA

0 ωt Id/kba

π 2π k

iT6

0 ωt π

i

π 2π

u

0

α αα uducubua α

ν7ν5ν3ν1a

ϕK (nÐt

αααud

ν0 ν6ν4ν2

0

ωt

ωtb

ϕA (nÐt

Hình 2.37

79

2.36, ta có ϕK bằng điện áp chỉnh lưu của sơ đồ tia 3 pha các van nối Cathode chung udtK, còn -ϕA bằng bằng điện áp chỉnh lưu của sơ đồ tia 3 pha các van nối anode chung udtA (ϕK= udtK, ϕA= - udtA). Ta có thể tóm tắt sự hoạt động của sơ đồ trong hơn một chu kỳ như sau: - Từ ωt=0 ÷ ωt=ν0 và từ ωt=ν5 ÷ ωt=ν6 hai van T4 và T5 cùng dẫn dòng:

ud = uc- ua= uca; iT1= 0; iT2= 0; iT3= 0; iT4=id=Id; iT5= id=Id; iT6 = 0;

uT1= uac; uT2= uac; uT3= ubc; uT4= 0; uT5= 0; uT6 = uab; - Từ ωt=ν0 ÷ ωt=ν1 và từ ωt=ν6 ÷ ωt=ν7 hai van T5 và T6 cùng dẫn dòng:

ud = uc- ub= ucb; iT1= 0; iT2= 0; iT3= 0; iT4= 0; iT5= id=Id; iT6 = id=Id; uT1= uac; uT2= ubc; uT3= ubc; uT4= uba; uT5= 0; uT6= 0;

- Từ ωt=ν1 ÷ ωt=ν2 và sau ωt=ν7 hai van T1 và T6 cùng dẫn dòng: ud = ua- ub= uab; iT1= id=Id; iT2= 0; iT3= 0; iT4= 0; iT5= 0; iT6 = id=Id; uT1= 0; uT2= ubc; uT3= uba; uT4= uba; uT5= uca; uT6 = 0;

- Từ ωt=ν2 ÷ ωt=ν3 hai van T1 và T2 cùng dẫn dòng: ud = ua- uc= uac; iT1= id=Id; iT2= id=Id; iT3= 0; iT4= 0; iT5= 0; iT6 = 0; uT1= 0; uT2= 0; uT3= uba; uT4= uca; uT5= uca; uT6 = ucb;

- Từ ωt=ν3 ÷ ωt=ν4 hai van T2 và T3 cùng dẫn dòng: ud = ub- uc= ubc; iT1= 0; iT2= id=Id; iT3= id=Id; iT4= 0; iT5= 0; iT6 = 0; uT1= uab; uT2= 0; uT3= 0; uT4= uca; uT5= ucb; uT6 = ucb;

- Từ ωt=ν4 ÷ ωt=ν5 hai van T3 và T4 cùng dẫn dòng: ud = ub- ua= uba; iT1= 0; iT2= 0; iT3= id=Id; iT4= id=Id; iT5= 0; iT6 = 0; uT1= uab; uT2= uac; uT3= 0; uT4= 0; uT5= ucb; uT6 = uab; Và từ ωt=ν7 thì sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc giống như từ ωt=ν1.

Đồ thị điện áp chỉnh lưu, dòng các van, dòng các pha nguồn xoay chiều khi máy biến áp nối Y/Y như trên hình 2.37. Điện áp trên van có dạng giống như ở sơ đồ hình tia 3 pha.

• Một số biểu thức tính toán

80

.cosd doU U α= ; 2 2(3 6 / ). 2,34do π= ≈U U ; U max max 26Tth Tng U= =U U

/ 3Ttb dI I= ; / 3T dI I= Dòng hiệu dụng cuộn dây sơ và thứ cấp máy biến khi tổ nối dâyY/Y

1 2 / 3d

ba

IIk

=2 . 2 / 3T dI I I= = ;

Xác định công suất tính toán máy biến áp: S2=3U2I2= Ud.Id.(π/3) S1=3U1I1= Ud.Id.(π/3) SttBA= (S1+S2)/2 = S1 = S2 = Ud.Id. (π/3) ≈1,05.Ud.Id

b/- Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển (sử dụng 3 diode 3 thyristor) • Sơ đồ nguyên lý (hình 2.38)

Trong sơ đồ này người ta chỉ sử dụng một nửa số van là van có điều khiển, còn lại là các van không điều khiển. ở đây ta bố trí các diode ở nhóm van anode chung.

iA

iT3 K

A

iT2iT1 id

ia

T1 T2 T3

Rda

udb ib

Ldc ic

EdD3D2D1iD1 iD2 iD3

**

**

*

BA A

iB

*

B iCC

• Nguyên lý hoạt động của sơ đồ

Hình 2.38 Khi phụ tải thuần trở (Rd≠0, Ed=0, Ld=0 ) Trên hình 2.39 biểu diễn ϕK và ϕA tương ứng với một giá trị khác nhau của góc

điều khiển: α=300 0 0; α=60 ; α=90 . Nhìn vào đồ thị ta nhận thấy có thể xẩy ra 2 chế độ làm khác nhau tương ứng với 2 vùng giá trị của α:

Chế độ thứ nhất:

Khi π/3 ≥ α thì dòng tải liên tục. Sự chuyển mạch dòng điện trong các van nhóm Cathode chung (có điều khiển) diễn ra ở thời điểm truyền xungđiều khiển đến các van. Sự chuyển mạch dòng điển trong nhóm van anode chung (không điều khiển) diễn ra tại thời điểm chuyển mạch tự nhiên.Trong trường hợp này từ đồ thị hình 2.39 ta có:

ωt

u

α=30

0 3π2ππ 4π

α=60 α=90

Hình 2.39

( )0 0

1 cos(3/ 2 ) 6 sin( ). ( )2 20

U U U t d t Ud d dα α

π ω ω+

= − =∫

Chế độ thứ hai: Khi 2π/3 ≥ α>π/3, dòng qua tải bị gián đoạn. Việc mở các van trong cả hai nhóm van diễn ra từng cặp tại các thời điểm ta truyền xung điều khiển đến các van có điều khiển. Sự chuyển mạch dòng điện từ van này sang van khác lúc này không xảy ra vì dòng tải cũng như dòng qua các van đã bằng không trước thời điểm ta đưa xung điều khiển đến mở van tiếp theo. Từ đồ thị hình 2.39 ta có:

( )0

1 cos(3/ 2 ) 6 sin( ). ( )2 2

U U t d t Ud dπ α

π ω ωα

+= =∫

Như vậy khi tải thuần trở thì trong cả hai chế độ dòng tải liên tục và gián đoạn ta đều có chung một biểu thức để xác định điện áp chỉnh lưu trung bình.

Khi điện cảm mạch tải vô cùng lớn (Ld=∞) Nghiên cứu sơ đồ trong trường hợp này thuận tiện nhất là xem như nối nối tiếp 2 sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha, một sơ đồ có điều khiển gồm các van T1,T2, T3 nối Cathode chung và một sơ đồ không điều khiển gồm 3 diode D1, D2, D3, mắc anode chung. Dòng tải liên tục và bằng phẳng. Với trường hợp này ta có thể coi rằng sơ đồ cầu 3 pha bán điều khiển bị phân tích thành 2 sơ đồ hình tia 3 pha làm việc độc lập. Điện áp chỉnh lưu đầu ra của sơ đồ cầu bằng tổng điện áp chỉnh lưu của 2 sơ đồ tia mà một có điều khiển và một không điều khiển (chú ý rằng điện áp chỉnh lưu trung bình khi α=0 của sơ đồ cầu 3 pha gấp đôi của sơ đồ tia 3 pha):

Ud = Ud0/2 + (Ud0/2).cosα = Ud0. (1+cosα)/2 So sánh biểu thức này với biểu thức tính Ud khi tải thuần trở ta thấy chúng hoàn

toàn giống nhau. Vậy trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển thì điện áp chỉnh lưu trung bình khi tải điện trở và khi dòng tải liên tục là như nhau với cùng một giá trị góc điều khiển. Nhận xét: Do sử dụng cả các van không điều khiển nên khi sơ đồ chỉnh lưu làm việc thì dòng điện lưới (nguồn) ngoài các sóng hài bậc lẻ như đã nêu còn có cả các sóng hài bậc chẵn. II.3 Các bộ chỉnh lưu mắc song song ngược để đảo chiều điện áp cho tải 2.3.1 Khái niệm chung Trong nhiều trường hợp ta cần phải thay đổi được chiều dòng qua phụ tải của bộ chỉnh lưu, mà do tính dẫn dòng một chiều của các van nên ta phải đảo chiều bằng công tắc tơ hoặc sử dụng các sơ đồ đặc biệt sử dụng hai bộ chỉnh lưu, mà mỗi bộ chỉnh lưu tạo ra dòng điện theo một hướng. Có hai loại sơ đồ chỉnh lưu điều khiển có đảo chiều là sơ đồ đấu chéo (chữ thập) và sơ đồ song song ngược. Trong phần này ta chỉ xét một trường hợp là sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha song song ngược.

Để điều khiển hai bộ chỉnh lưu trong hợp bộ có đảo chiều người ta có thể sử dụng một số phương pháp khác nhau:

− Điều khiển riêng rẽ (điều khiển độc lập) hai sơ đồ chỉnh lưu. − Điều khiển phối hợp hai sơ đồ chỉnh lưu. Trong phương pháp này lại được chia

ra: Điều khiển phối hợp tuyến tính và điều khiển phối hợp phi tuyến. Phụ thuộc vào phương pháp điều khiển hai sơ đồ chỉnh lưu trong hợp bộ biến

đổi mà sơ đồ mạch động lực bộ biến đổi cũng có sự khác nhau. Khi điều khiển phối hợp các sơ đồ chỉnh lưu thì trong mạch động lực buộc phải sử dụng các cuộn kháng để hạn chế dòng điện cân bằng, trên sơ đồ ký hiệu là CB1÷CB4. Còn khi điều khiển riêng hai sơ đồ chỉnh lưu thì không cần phải sử dụng cuộn kháng cân bằng. Để giảm bớt các sơ đồ ta chỉ vẽ một sơ đồ chung cho trường hợp điều khiển phối hợp và khi xét trường hợp điều khiển riêng ta xem như các cuộn kháng này được nối tắt. Sơ đồ bộ biến đổi có đảo chiều sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha như hình 2.40. Trong sơ đồ này: T1÷T6 tạo thành một sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha cho dòng qua tải theo chiều thuận, ta thường gọi là bộ chỉnh lưu thuận. Các van còn lại T7÷T12 tạo thành một sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha cho dòng qua tải theo chiều ngược, ta thường gọi là bộ chỉnh lưu ngược. Phụ tải của BBĐ được nối giữa các điểm nối chung của hai cặp cuộn kháng cân bằng. Điện áp

81

trên hai cặp cuộn kháng cân bằng được gọi là điện áp cân bằng và ta ký hiệu là uCB1 và uCB2 như trên sơ đồ. Điện áp đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu thuận là ud1 còn điện áp đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu ngược ký hiệu là ud2. Điện áp chỉnh lưu tức thời trên phụ tải ud sẽ được xác định theo biểu thức sau:

ud = ud1 - (uCB1/2) - (uCB2/2) = - ud2 + (uCB1/2) + (uCB2/2). II.3.2 Các phương pháp khống chế II.3.2.1 Điều khiển BBĐ đảo chiều theo phương pháp phối hợp tuyến tính. Đây là một trong các phương pháp điều khiển BBĐ có đảo chiều, khi thực hiện phương pháp điều khiển này người ta thực hiện truyền tín hiệu điều khiển đến cả hai sơ đồ chỉnh lưu với quan hệ giữa góc điều khiển của hai sơ đồ chỉnh lưu là:

α1+ α2=1800. Trong trường hợp này điện áp chỉnh lưu trung bình của các sơ đồ chỉnh lưu và

trên phụ tải với giả thiết chế độ dòng liên tục và bỏ qua tổn thất là: Ud1=Ud0.cosα1; Ud2= Ud0.cosα2=

Ud0.cos(180

Hình 2.40

iA

iT5

CB4

CB3

CB2

CB1

iT3

iT1ia

T1

T3

T5

a

uCB1 uCB2

ud

b

ib

c

ic

T2

T6

T4

iT4

iT6

iT2

*

*

*

* *

BA

A

iB

*

B

iC

C

id Rd Ld Ed

iT11

iT3

T7

T9

T11T8

T12

T10

iT12

iT8

iT7iT10

0-α1)=-Ud0.cosα1 Ud= Ud1=- Ud2=Ud0.cosα1. Như vậy ta thấy rằng thành phần một

chiều của điện áp trên đầu ra của hai sơ đồ chỉnh lưu là cân bằng nhau nên chúng không gây nên thành phần dòng điện khép vòng qua các van của hai sơ đồ chỉnh lưu. Tuy vậy chúng ta cũng thấy rằng khi cả hai sơ đồ chỉnh lưu đồng thời làm việc (tuy góc điều khiển khác nhau) thì giá trị tức thới của điện áp trên đầu ra của hai sơ đồ (lấy trước các cuộn kháng cân bằng) thường không bằng nhau, điều này tạo nên một sự chênh lệch điện thế và khi chúng tác động thuận chiều dẫn dòng của các van trong hai sơ đồ chỉnh lưu sẽ gây nên dòng điện khép vòng qua các van này và các pha nguồn cung cấp xoay chiều mà không đi qua tải của BBĐ, nóđược gọi là dòng cân bằng. Do tổng trở của nguồn rất nhỏ nên giá trị dòng điện này có thể rất lớn làm hỏng các van và phá huỷ chế độ làm việc của BBĐ, vì vậy ta cần phải có các biện pháp hạn chế dòng điện cân bằng. Như đã biết, thành phần một chiều của dòng cân bằng không có, vậy dòng cân bằng chỉ có thành phần xoay chiều nên ta có thể sử dụng các điện cảm để hạn chế (đặc điểm của điện cảm là hạn chế được dòng điện xoay chiều nhưng lại cho thành phần dòng một chiều qua nó dễ dàng và không gây nên tổn thất công suất tác dụng). Trong sơ đồ hình 2.40 thì hai cuộn CB1 và CB2

82

dùng để hạn chế dòng cân của nhóm van Cathode chung bộ thuận và nhóm van anode chung bộ ngược, còn CB3 và CB4 thì hạn chế dòng cân bằng qua hai nhóm còn lại.

Khi giả thiết rằng dòng qua các sơ đồ chỉnh lưu ở chế độ liên tục thì ta có đồ thị điện áp và dòng điện cân bằng của hai trường hợp góc điều khiển khác nhau như hình 2.41.

uCB1

83

ω

Ta thấy rằng điện áp cân bằng phụ thuộc rất nhiều vào giá trị góc điều khiển của các sơ đồ chỉnh lưu. Khi góc điều khiển của một sơ đồthay đổi trong khoảng từ 00 cho đến 600 thì điện áp cân bằng đập mạch 3 lần trong một chu kỳ nguồn, còn khi góc điều khiển của một sơ đồ nằm trong vùng từ >600 đến 900 thì điện áp cân bằng đập mạch 6 lần trong một chu kỳ nguồn xoay chiều. Biểu thức điện áp cân bằng uCB1 được xác định như sau:

Khi 600≥α1≥00 thì uCB1=-Umd.sinωt Khi 900≥α1>600 thì uCB1=-Umd.sinωt với (2π/3-α1) ≥ωt ≥ (-2π/3+α1) và uCB1= -Umd.sin (ωt-π/3) với (2π/3-α1) <ωt và ωt < (-2π/3+α1) Trong đó: Umd là biên độ điện áp dây Người ta có thể xác định được giá trị trung bình của dòng cân bằng khi biết góc

điều khiển và điện cảm của mỗi cuộn kháng cân bằng LCB. Đồ thị biểu diễn giá trị tương đối của thành phần trung bình dòng cuộn kháng cân bằng so với giá trị cực đại của nó được cho trên hình 2.42b. Hình 2.42a là đường cong biểu diễn quan hệ Ud=f (α) khi giả thiết dòng tải là liên tục.

Giá trị cực đại của dòng cân bằng: ICBm=Umd/ (2ωLCB).

Giá trị trung bình của dòng cân bằng: -Khi 600≥α1≥00 và khi 900≥α1>600 và với (2π/3-α1) ≥ωt ≥ (-2π/3+α1):

ICBtb=[ (3Umd)/ (π2ωLCB)]. (sinα+αcosα) -Khi 900≥α1>600 và với (2π/3-α1) <ωt và ωt < (-2π/3+α1):

t ωt

ωt

(nÐt liÒn) uCB α1 = α2 = 900α1 = 600

0

π π/3

4π/32π/3

0

uCB1

0

iCB1 (nÐt ®Ëm) iCB

ωt0

iCB1

Hình 2.41

)]cos)2/(sin)6/21)].[(2/()3[( ααπαπωπ −+−= CBmdCBtb LUI

84

Khi điều khiển các sơ đồ chỉnh lưu trong BBĐ đảo chiều theo phương pháp phối hợp tuyến tính, nếu chế độ dòng là liên tục thì ta có: nếu bộ chỉnh lưu thuận có góc điều khiển α1<900, nó sẽ làm việc trong chế độ chỉnh lưu, thì bộ chỉnh lưu ngược sẽ có góc điều khiển α2=1800- α1>900, như vậy bộ chỉnh lưu ngược sẽ làm việc trong chế độ nghịch lưu. Trong thực tế thì khi bộ chỉnh lưu thuận đang làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì bộ chỉnh lưu ngược không làm việc ở chế độ nghịch lưu vì lúc đó không có thành phần dòng điện từ tải qua bộ chỉnh lưu ngược, lúc này qua bộ ngược chỉ có dòng cân bằng xoay chiều mặc dù góc điều khiển của nó nằm trong vùng nghịch lưu, trường hợp này người ta nói rằng bộ ngược làm việc ở chế độ chờ nghịch lưu. Ngược lại khi bộ ngược đang làm việc ở chế độ nghịch lưu thì lúc đó theo điều kiện nghịch lưu ta có Ed>0 và |Ed|>|Ud| nên dòng từ tải khép qua bộ chỉnh lưu ngược về nguồn và không có dòng từ nguồn qua bộ chỉnh lưu thuận sang tải (do giá trị s.đ.đ. phụ tải lớn hơn điện áp chỉnh lưu trung bình của bộ thuận mà các van thì không cho dòng đi ngược chiều), như vậy khi đó qua bộ thuận chỉ có dòng cân bằng xoay chiều mà không có dòng tải, tức là bộ chỉnh lưu thuận chưa làm việc ở chế độ chỉnh lưuvà người ta nói bộ chỉnh lưu thuận làm việc ở chế độ chờ chỉnh lưu.

Khi sử dụng phương pháp điều khiển phối hợp tuyến tính làm xuất hiện dòng điện cân bằng làm ta phải tăng kích thước BBĐ (do có cuộn kháng cân bằng), tăng công suất tính toán của máy biến áp để bù tổn thất do dòng cân bằng. Tuy vậy phương pháp điều khiển này cũng hay được sử dụng vì nó có độ tác động nhanh cao nhất, quan hệ giữa góc điều khiển và điện áp chỉnh lưu trung bình là đơn trị.

Giá trị điện cảm của cuộn kháng cân bằng được chọn sao cho trong trường hợp xấu nhất thì giá trị trung bình của dòng cân bằng không được vượt quá 10% dòng tải định mức theo tính toán.

Với mục đích đảm bảo việc hạn tốt thành phần dòng cân bằng xoay chiều mà không cần tăng điện cảm của cuộn kháng cân bằng người ta sử dụng phương pháp điều khiển phối hợp phi tuyến,trong trường hợp này ta có:

α1+ α2=1800+2θ Với việc tăng giá trị θ thì giá trị trung bình của dòng cân bằng giảm khá mạnh,

tuy nhiên phương pháp này ít được dùng vì nó tạo nên một khoảng cùng một giá trị góc điều khiển α nhưng điện áp trên tải có thể có hai giá trị khác nhau, thời gian

Ud Ud2

0,4

ICBtb*

0,5

0,3

0,2

0,1

00 300 600 900 1200 1500 1800

Ud1=Ud

α1

α

180000 900

a b

Hình 2.42

85

ngừng dòng khi đảo chiều lớn, làm xấu các chỉ tiêu chất lượng động khi tải có s.đ.đ. và tải có điện cảm lớn. II.3.2.2 BBĐ đảo chiều điều khiển riêng Đây cũng là một phương pháp điều khiển các BBĐ có đảo chiều dòng được sử dụng khá phổ biến trong thực tế. Nội dung của phương pháp điều khiển này là ta cho các bộ chỉnh lưu thuận và ngược làm việc riêng rẽ: Khi cần có dòng qua tải theo chiều thuận ta cho bộ chỉnh lưu thuận làm việc bằng cách truyền tín hiệu điều khiển đến các van của nó, còn bộ chỉnh lưu ngược thì không được cấp xung điều khiển và không làm việc. Khi cần dòng điện tải theo chiều ngược thì ta lại cấp xung điều khiển cho bộ chỉnh lưu ngược để nó làm việc và cắt xung bộ chỉnh lưu thuận để nó không làm việc. Như vậy khi BBĐ đảo chiều làm việc thì chỉ có một trong hai sơ đồ chỉnh lưu được cấp tín hiệu điều khiển và làm việc còn sơ đồ kia thì nghỉ hoàn toàn nên không có dòng cân bằng qua hai bộ chỉnh lưu, đây là ưu điểm cơ bản nhất của phương pháp điều khiển này, nó cho phép ta không phải dùng các cuộn kháng cân bằng. Nhưng cũng do để không xuất hiện dòng cân bằng mà ta phải đảm bảo điều kiện là bộ chỉnh lưu làm việc ở giai đoạn trước đã khoá một cách chắc chắn mới được phép truyền xung điều khiển đến bộ chỉnh lưu khác khi cần đảo dòng tải. Điều này xuất hiện khoảng ngừng dòng khi đảo chiều mà thời gian ngừng ngắn nhất cũng phải cỡ vài ms, nó hạn chế độ tác động nhanh của BBĐ.

BBĐ đảo chiều điều khiển riêng có đặc tính ngoài tương tự như của BBĐ không đảo chiều, nó được đặc trưng bởi vùng dòng gián đoạn lớn hơn nhiều so với việc điều khiển phối hợp tuyến tính. Các BBĐ đảo chiều điều khiển riêng có thể được sử dụng tốt trong các hợp bộ có bộ điều chỉnh đặc biệt, nó điều chỉnh được sự thay đổi các tham số của BBĐ và ứng dụng các thiết bị chuyển mạch nhanh và chính xác để giảm thời gian ngừng dòng khi đảo chiều. Hiện nay người ta thường sử dụng các thiết bị chuyển mạch bằng các dụng cụ lôgic bán dẫn và vi điện tử có độ chính xác cao kết hợp với các thiết bị đo lường với độ nhạy cao nên thời gian ngừng dòng khi đảo được được giảm đến mức nhỏ nhất.

86

II.4. Các phương pháp tạo xung điều khiển II.4.1 Tổng quan về mạch tạo xung điều khiển Phần trước chúng ta đã nghiên cứu sự hoạt động sơ đồ mạch động lực bộ chỉnh lưu có điều khiển. Như đã biết, để các van của bộ chỉnh lưu có thể mở tại các thời điểm mong muốn thì ngoài điều kiện tại thời điểm đó trên van phải có điện áp thuận thì trên điện cực điều khiển và Cathode của van phải có một điện áp điều khiển (mà ta thường gọi là tín hiệu điều khiển). Để có hệ thống các tín hiệu điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu mở van đã nêu người ta phải sử dụng một mạch điện tạo ra các tín hiệu đó. Mạch điện dùng để tạo ra các tín hiệu điều khiển được gọi là mạch điều khiển hay còn gọi là hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu. Điện áp điều khiển các thyristor phải đáp ứng được các yêu cầu cần thiết về công suất, biên độ cũng như thời gian tồn tại. Các thông số cần thiết của tín hiệu điều khiển được cho sẵn trong các tài liệu tra cứu về van. Do đặc điểm của thyristor là khi van đã mở thì việc còn tín hiệu điều khiển nữa hay không không ảnh hưởng đến dòng qua van, vì vậy để hạn chế công suất của mạch phát tín hiệu điều khiển và giảm tổn thất trên vùng điện cực điều khiển người thường tạo ra các tín hiệu điều khiển thyristor có dạng các xung, do đó mạch điều khiển còn được gọi là mạch phát xung điều khiển. Các xung điều khiển được tính toán về độ dài xung sao cho đủ thời gian cần thiết (với một độ dự trữ nhất định) để mở van với mọi loại phụ tải có thể có khi sơ đồ làm việc. Thông thường độ dài xung nằm trong giới hạn từ 200 μs đến 600 μs.

Các hệ thống phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu hiện nay đang sử dụng có thể phân làm 2 nhóm:

Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ: Đây là nhóm các hệ thống điều khiển mà các xung điều khiển xuất hiện trên điện cực điều khiển các thyristor đúng thời điểm cần mở van và lặp đi lặp mang tính chu kỳ với chu kỳ thường là bằng chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu (trong một vài trường hợp chu kỳ của xung có thể bằng 1/2 chu kỳ điện áp nguồn). Nhóm hệ thống điều khiển này đang được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Trong chương trình môn học này ta chỉ đi vào nghiên cứu các hệ thống điều khiển thuộc nhóm này.

Nhóm các hệ thống điều khiển không đồng bộ: Các hệ thống điều khiển thuộc nhóm này tạo ra các xung điều khiển không tuân theo giá trị góc điều khiển như đã nêu ở phần trước. Các hệ thống điều khiển này phát ra chuỗi xung điều khiển với tần số thường cao hơn rất nhiều tần số nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và trong quá trình làm việc tần số xung được tự động thay đổi để đảm bảo cho một đại lượng đầu ra nào đó, ví dụ như Ud hay Id ... không thay đổi. Để đạt được điều này thì người ta thực hiện khống chế tần số xung điều khiển theo sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu ra thực tế của đại lượng cần ổn định. Như vậy các hệ thống phát xung loại này buộc phải thực hiện ở dạng hệ thống có phản hồi, tức là hệ thống kín. Các hệ thống điều khiển này tương đối phức tạp và ở đây ta sẽ không xét.

Các hệ thống điều khiển đồng bộ thường sử dụng hiện nay bao gồm: • Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha đứng. • Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha ngang. • Hệ thống điều khiển chỉnh lưu dùng diode hai cực gốc (transitor một tiếp giáp).

II.4.2 Mạch tạo xung theo pha đứng II.4.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển theo pha đứng Khi nghiên cứu các mạch phát xung theo nguyên tắc pha đứng người ta thấy rằng có thể phân chia các mạch điện hệ thống ra làm 3 khối có chức năng khác nhau như sơ đồ hình 2-43. Trong đó gồm:

§BH FSRC

u®kTul

urc

TXSS

u®k

Khèi 3 Khèi 2 Khèi 1

Hình 2.43

Khối 1: Khối đồng bộ hoá và phát điện áp răng cưa (ĐBH-FSRC). Khối 2: Khối so sánh (SS). Khối 3: Khối tạo xung (TX).

Trong đó: − ul: là điện áp lưới (nguồn) xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu. − urc: điện áp tựa thường có dạng hình răng cưa lấy từ đầu ra khối ĐBH-

FSRC. − uđk: điện áp điều khiển, đây là điện áp một chiều được đưa từ ngoài vào

dùng để điều khiển giá trị góc α. − uđkT: điện áp điều khiển thyristor, là chuỗi các xung điều khiển lấy từ đầu ra

hệ thống điều khiển (cũng là đầu ra của khối TX) và được truyền đến điện cực điều khiển (G) và Cathode (K) của các thyristor.

Nguyên lý cơ bản của hệ thống điều khiển theo nguyên tắc pha đứng có thể tóm tắt như sau:

Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực bộ chỉnh lưu được đưa đến mạch đồng bộ hoá của khối 1 và trên đầu ra của mạch đồng bộ ta có các điện áp thường có dạng hình sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và trùng pha hoặc lệch 1 góc pha xác định so với điện áp nguồn. Điện áp này được gọi là điện áp đồng bộ và ký hiệu là uđb. Các điện áp đồng bộ được đưa vào mạch phát điện áp răng cưa để khống chế sự làm việc của mạch điện này, kết quả là trên đầu ra mạch phát điện áp răng cưa ta có một hệ thống các điện áp dạng hình răng cưa đồng bộ về tần số và góc pha với các điện đồng bộ. Các điện này được gọi là điện áp răng cưa urc. Các điện áp răng cưa được đưa vào đầu vào khối SS và ở đó còn có một tín hiệu khác nữa là điện áp điều khiển một chiều điều chỉnh được và được đưa từ ngoài vào, hai tín hiệu này được mắc với cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch vào khối SS là ngược chiều nhau. Khối SS làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này và tại những thời điểm hai tín hiệu này có giá trị tuyệt đối bằng nhau thì đầu ra khối SS sẽ thay đổi trạng thái. Như vậy khối SS là một mạch điện hoạt động theo nguyên tắc biến đổi tương tự-số. Do tín hiệu ra của mạch SS là dạng tín hiệu số nên chỉ có hai giá trị có hoặc không. Tín hiệu trên đầu ra khối SS là các xung xuất hiện với chu kỳ bằng chu kỳ của urc, nếu thời điểm bắt đầu xuất hiện của một xung nằm trong vùng sườn xung nào của urc thì sườn xung ấy của urc được gọi là sườn sử dụng. Điều này có nghĩa rằng: Tại thời điểm |urc| = |uđk| ở phần sườn sử dụng trong 1 chu kỳ của điện áp răng cưa thì trên đầu ra

87

88

khối SS sẽ bắt đầu xuất hiện một xung điện áp. Từ đó ta thấy: có thể thay đổi thời điểm xuất hiện của xung đầu ra khối SS bằng cách thay đổi giá trị của uđk khi giữ nguyên dạng urc. Trong một số trường hợp thì xung ra từ khối SS được đưa đến điện cực điều khiển của thyristor, nhưng trong đa số các trường hợp thì tín hiệu ra khối so sánh chưa đủ các yêu cầu cần thiết đối với tín hiệu điều khiển thyristor. Để có tín hiệu đủ yêu cầu người ta thực hiện việc khuếch đại, thay đổi lại hình dạng của xung, v.v,... Các nhiệm vụ này được thực hiện bởi một mạch điện gọi là mạch tạo xung (TX), cuối cùng trên đầu ra khối TX ta có chuỗi xung điều khiển (uđkT) có đủ các thông số yêu cầu về công suất, độ dài, độ dốc mặt đầu của xung, v.v,... nhưng thời điểm bắt đầu xuất hiện của các xung thì hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối SS. Vậy thời điểm xuất hiện của tín hiệu điều khiển trên điện cực điều khiển và Cathode của thyristor chính cũng là thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối so sánh, tức là khối SS đóng vai trò xác định giá tri góc điều khiển α. Như đã nêu ở trên, ta có thể thay đổi thời điểm xuất hiện xung ra khối SS bằng cách thay đổi giá trị uđk. Vậy điều khiển giá trị điện áp điều khiển uđk ta điều khiển được giá trị góc điều khiển α.

Trong sơ đồ chỉnh lưu cầu hoặc sơ đồ tia nhiều pha ta có nhiều thyristor. Để tạo ra nhiều tín hiệu điều khiển cho nhiều van trong hệ thống điều khiển này có 2 phương pháp:

Sử dụng nhiều mạch phát xung giống hệt nhau, trong mỗi mạch đều có các khối giống nhau và chúng chỉ khác nhau tín hiệu điện áp lưới (khác pha) đặt vào mạch đồng bộ. Mỗi mạch phát xung được dùmg để tạo xung điều khiển cho một van hoặc một số van mắc nối tiếp hoặc song song. Mạch điều khiển loại này được gọi là mạch (hệ thống) nhiều kênh (mỗi mạch phát xung cho một van được gọi là một kênh điều khiển).

Người ta sử dụng chung một mạch đồng bộ, một mạch tạo điện áp răng cưa, một khối so sánh, như vậy xung ở đầu ra khối SS thường có tần số gấp n lần tần số nguồn (n bằng q). Lúc đó để có n (hay q) kênh xung khác nhau có tần số bằng tần số nguồn thì trong khối TX phải có thêm một mạch điện làm nhiệm vụ phân chia xung. Mạch điều khiển loại này được gọi là mạch điều khiển một kênh (chỉ có một khối so sánh). Loại mạch điều khiển này tuy phức tạp hơn nhiều so với loại nhiều kênh nhưng xung điều khiển ở các van có độ đối xứng cao hơn nhiều nên cũng thường được sử dụng, nhất là khi có yêu cầu cao về chất lượng đối với bộ chỉnh lưu. Sau đây ta sẽ xét chi tiết các phần mạch điện của hệ thống điều khiển. Ta giả

thiết là hệ thống điều khiển nhiều kênh và chỉ cần xét một kênh, các kênh còn lại tương tự. II.4.2.2 Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và điều khiển được thời điểm xuất hiện của chúng trong mỗi chu kỳ thì các nghiên cứu đã chỉ ra rằng: tốt nhất là sử dụng các mạch phát xung mà một trong các tín hiệu điều khiển nó là tín hiệu cũng biến đổi một cách chu kỳ với chu kỳ như của tín hiệu ra và dạng tốt nhất là hình răng cưa. Vì vậy mà chúng ta cần phải có mạch điện để tạo ra các điện áp răng cưa và được gọi là mạch phát sóng răng cưa (FSRC). Mặt khác, kỹ thuật điện-điện tử cũng chỉ ra rằng để có điện áp dạng răng cưa có tần số và thời điểm đầu của mỗi xung răng cưa phù hợp với tần số và góc pha của nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu thì tốt nhất là sử dụng các sơ đồ tạo điện áp răng cưa được điều khiển bởi điện áp biến thiên cùng tần

số. Dạng của điện áp điều khiển mạch tạo điện áp răng cưa có thể bất kỳ. Để có các điện áp này người ta sử dụng một mạch điện được gọi là mạch đồng bộ hoá (gọi tắt là mạch đồng bộ) và điện áp ra của mạch đồng bộ gọi là điện áp đồng bộ, ký hiệu là uđb. a/- Mạch đồng bộ hoá Để tạo ra điện áp đồng bộ đảm bảo yêu cầu đặt ra người ta thường sử dụng hai kiểu mạch đơn giản:

Hình 2.44

R1

u®bR2ulMạch phân áp bằng các điện trở hoặc bằng điện trở kết hợp điện dung hay điện cảm: Trong mạch đồng bộ này điện áp đầu vào là điện áp lưới điện xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, điện áp ra cũng là điện áp xoay chiều hình sin cùng tần số trùng hoặc lệch một góc pha xác định.

Kiểu mạch đồng bộ này ít được sử dụng vì có sự liên hệ trực tiếp về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển bộ chỉnh lưu.

Hình 2.45

**

ul u®b

BA§

A **B **C **

u®ba

u®bb

u®bc

0 BA§

Mạch đồng bộ dùng máy biến áp: Trong trường hợp này người ta sử dụng một máy biến áp công suất nhỏ thường là máy biến áp hạ áp để tạo ra điện áp đồng bộ. Điện áp lưới ul được đặt vào cuộn sơ cấp còn bên thứ cấp ta lấy ra điện áp đồng bộ uđb. Máy biến áp để tạo ra điện áp đồng bộ được gọi là máy biến áp đồng bộ và ký hiệu là BAĐ, nó có thể là loại một pha hoặc nhiều pha tuỳ theo sơ đồ chỉnh lưu cụ thể. b/- Mạch phát sóng răng cưa

• Sơ đồ mạch phát sóng răng cưa dùng diode, điện trở, tụ điện (mạch D-R-C)

urc *

M¹ch ®ång b

D

ul RC uc

*u®b

BA§

Hình 2.46

Giới thiệu sơ đồ: Sơ đồ mạch phát sóng răng cưa trên hình 2.46 bao gồm:

BAĐ là máy biến áp đồng bộ hoá, đây là phần mạch đồng bộ.

diode D,điện trở R,tụ điện C là các phần tử cơ bản của mạch tạo điện áp răng cưa.

Hình 2.47

Urcmax

urc

u®b u

ν3

ν2

ν1 ωt3π2π π

Các điện áp ul,uđb,uc,urc lần lượt là điện áp nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu,điện áp đồng bộ hoá,điện áp trên tụ điện C và điện răng

89

cưa đầu ra của sơ đồ. Nguyên lý làm việc:

Ta giả thiết rằng: tại ωt=0 thì uđb=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương, điện áp trên tụ đang bằng không (uc=0).

Như vậy thì sau thời điểm ωt=0 thì uđb>0 nên diode D được đặt điện áp thuận và D mở, tụ điện C sẽ được nạp điện bởi nguồn điện áp đồng bộ qua diode D đang mở. Điện áp trên tụ C tăng dần theo thời gian và khi ωt=ν1 thì uc = uđb, lúc này điện áp đồng bộ đã ở giai đoạn giảm của nửa chu kỳ dương nên sau thời điểm ωt=ν1 thì D bị đặt điện áp ngược và D khoá lại. diode D khoá thì sự nạp điện của tụ cũng kết thúc, tụ bắt đầu phóng điện qua điện trở R. Quá trình phóng điện làm cho điện áp trên tụ giảm dần và đến ωt=ν2 thì điện áp trên tụ lại bằng điện áp đồng bộ đang ở giai đoạn tăng trong nửa chu kỳ dương của chu kỳ tiếp theo, D lại được phân cực thuận và lại mở, tụ lại được nạp. Quá trình ở các chu kỳ sau diễn ra lặp lại tương tự. Điện áp đầu ra của sơ đồ bằng điện áp trên tụ C (urc = uc). Người ta tính chọn giá trị điện trở R và tụ điện C sao cho ν2≈2π nhưng ν2>2π. Với mạch tạo điện áp răng cưa này người ta chọn sườn sử dụng là phần sườn sau.

Nếu ta gọi biên độ điện áp răng cưa (điện áp trên C) là Urcmax thì biểu thức điện áp trên tụ trong giai đoạn phóng điện là:

ucp = Urcmax.e- (t -ν2/ ω)/ RC

Sơ đồ này có ưu điểm là rất đơn giản, nhưng lại có các nhược điểm là dạng điện áp trên đầu ra khác nhiều so với dạng đường điện áp răng cưa lý tưởng và biên độ điện áp răng cưa phụ thuộc nhiều vào biên độ điện áp đồng bộ nên ít được dùng.

• Sơ đồ mạch phát sóng răng cưa dùng mạch D-R-C nạp điện cho tụ bằng nguồn một chiều ổn định

Giới thiệu sơ đồ:

*

M¹ch ®ång

+ Un -

D2

D1ul C

a

urc

o

uc

*u®b

BA§

R R1

Hình 2.48

Trong sơ đồ này gồm có: − BAĐ là máy biến áp đồng

bộ thuộc phần mạch đồng bộ hoá.

− D1,D2,C,R,R1 các phần tử của mạch tạo điện áp răng cưa.

− Các điện áp trong sơ đồ cũng tương tự như sơ đồ hình 2.46, chỉ khác là trong sơ đồ này có thêm nguồn điện áp một chiều ổn định Un dùng để nạp cho tụ điện C.

Nguyên lý làm việc Ta giả thiết rằng: tại ωt=0 thì uđb=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương, tại ωt=0 điện áp trên tụ C đang bằng không (uc=0).

Vậy sau thời điểm ωt=0 thì uđb>0 nên trên D1 và D2 đều có điện áp ngược, cả 2 diode đều khoá. Các diode D1, D2 khoá, dẫn đến tụ C được điện nạp từ nguồn một chiều ổn định Un. Điện áp trên tụ tăng dần theo biểu thức sau:

90Hình 2.49

Urcmaxurc

u®bu

ν2ν1 ν1' ωt

3π 2π π

91

uc = Un. (1-e-t/τ) với τ =R.C là hằng số thời gian mạch nạp của tụ. Đến ωt=ν1 thì điện áp trên tụ bằng giá trị tức thời của điện áp đồng bộ mà từ

thời điểm đó điện áp đồng bộ đang giảm (nửa sau của nửa chu kỳ dương uđb), do vậy mà sau ωt=ν1 van D2 được phân cực thuận, dẫn đến D2 mở. Van D2 mở thì tụ ngừng nạp và bắt đầu phóng điện qua cuộn thứ cấp máy biến áp đồng bộ và diode D2. Đến ωt=ν1' thì điện áp trên tụ giảm đến bằng không và D1 mở nên điện áp trên tụ giữ nguyên giá trị bằng không cho đến thời điểm ωt=2π. Tại ωt=2π thì uđb=0 và lại bắt đầu chuyển sang dương, các diode bị đặt điện áp ngược nên khoá lại do vậy tụ C lại được nạp tương tự như từ ωt=ν1 và sự làm việc của sơ đồ lặp lại như chu kỳ vừa xét. Điện áp răng cưa đầu ra cũng chính là điện áp trên tụ C và dạng điện áp ra urc cũng được cho trên hình 2.49.

Với sơ đồ này thì biên độ điện áp răng cưa cũng phụ thuộc vào biên độ điện áp đồng bộ nhưng dạng điện áp ra đã gần với hình răng cưa hơn sơ đồ trước. Để tăng độ tuyến tính phần sườn sử dụng của điện áp răng cưa (trong sơ đồ này ta sử dụng phần sườn trước) thì người ta tăng hằng số thời gian mạch nạp bằng cách tăng giá trị R hoặc C, thường tăng R. Mặt khác do τ =R.C tăng thì biên độ urc có xu hướng giảm đi, vì vậy muốn có biên độ không đổi khi tăng τ =R.C ta phải tăng giá trị của nguồn nạp Un theo. Thông thường với sơ đồ này thì Un được chọn lớn hơn biên độ điện áp răng cưa Urcmax từ 5 đến 7 lần. Loại sơ đồ này hiện nay cũng ít được sử dụng vì chất lượng điện áp ra kém, độ dài sườn sử dụng của điện áp răng cưa nhỏ hơn 1800 điện.

• Sơ đồ mạch phát sóng răng cưa dùng D-R-C và transitor Giới thiệu sơ đồ Trong sơ đồ này (hình 2.50) có:

− BAĐ là máy biến áp đồng bộ để tạo ra tín hiệu đồng bộ hoá.

Hình 2.50

urc

o

a

*

M¹ch ®ång bé D

ul

WR R1

+Ucc

R3

Tr

R4R2

uc

*

u®b

BA§

C

− diode D, transitor Tr, các điện trở R1, R2, R3, R4 và biến trở WR, tụ điện C là các phần tử của mạch phát điện áp răng cưa.

− Điện áp nguồn xoay chiều cấp cho sơ đồ chỉnh lưu ul, điện áp đồng bộ uđb, điện áp một chiều cung cấp cho sơ đồ tạo sóng răng cưa Ucc, điện áp đầu ra của sơ đồ urc được ký hiệu như hình vẽ.

Nguyên lý làm việc: Ta giả thiết rằng: tại ωt=0 thì uđb=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương, tại ωt=0 điện áp trên tụ C đang bằng không (uc=0).

Vậy sau thời điểm ωt=0 thì uđb>0 (điểm a dương hơn điểm o) nên trên D được đặt điện áp thuận, D sẽ mở dẫn đến sẽ có dòng điện từ cuộn thứ cấp BAĐ đi qua R2 và diode D, nếu bỏ qua sụt điện áp rất nhỏ trên cuộn dây máy biến áp đồng bộ hoá và trên diode D thì trên R2 được đặt điện áp bằng toàn bộ s.đ.đ. thứ cấp BAĐ, tức là uđb. Điện sụt trên R2 lúc này có thế dương đặt vào cực phát Tr,còn thế âm đặt vào cực gốc Tr, do vậy mạch gốc-phát transitor của Tr bị đặt điện áp ngược và Tr khoá (không có dòng cực góp). Tr khoá thì tụ C được nạp từ nguồn một chiều cung cấp cho sơ đồ có giá trị ổn định là Ucc qua điện trở R3 và biến trở WR. Điện áp trên tụ tăng dần theo biểu thức sau:

-t/τuc=Ucc. (1-e ) với τ = (R3+WR).C là hằng số thời gian mạch nạp của tụ.

Hình 2.51

U

u®bu rcmaxurc

ν1

ωt3π 2π π

Đến ωt=π thì điện áp đồng bộ uđb = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ âm (điểm a trở nên âm hơn điểm o). Van D bị đặt điện áp ngược và khoá lại do vậy điện áp đồng bộ không còn tác động đến mạch gốc-phát của Tr nữa, lúc này dưới tác động của nguồn cung cấp một chiều qua điện trở định thiên R1 trong mạch định thiên theo kiểu phân áp gồm R1 và R2 mà Tr mở. Tr mở thì tụ C ngừng nạp và bắt đầu phóng điện qua mạch góp-phát của transitor Tr và điện trở bảo vệ transitor là R4, người ta tính chọn các điện trở R1, R2 và Tr sao cho Tr mở bão hoà với điện trở tổng mạch cực góp là R3+WR. Vậy tụ C sẽ ngừng phóng khi điện áp trên tụ giảm xuống bằng sụt điện áp bão hoà của Tr cộng với sụt áp trên R4 gây nên bởi dòng mở bão hoà của Tr: uR4≈Ucc.R4/ (R3+WR). Sụt điện áp bão hoà trên một transitor mở rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua, mặt khác do R4<< (WR+R3) nên cũng có thể bỏ qua sụt áp trên R4 (tức là uR4=0). Như vậy thì tụ C sẽ phóng đến điện áp bằng không (tại ωt=ν1) và do Tr vẫn

92

mở nên điện áp trên tụ giữ nguyên giá trị bằng không cho đến thời điểm ωt=2π. Tại ωt=2π thì uđb=0 và lại bắt đầu chuyển sang dương, diode D lại được đặt điện áp thuận nên lại mở và Tr lại khoá, do vậy tụ C lại được nạp tương tự như từ ωt=0 và sự làm việc của sơ đồ lặp lại như chu kỳ vừa xét. Điện áp răng cưa đầu ra cũng chính là điện áp trên tụ C và dạng điện áp ra urc được cho trên hình2.51. Với sơ đồ này thì biên độ điện áp răng cưa không phụ thuộc vào biên độ điện áp đồng bộ, dạng điện áp ra đã gần với hình răng cưa và độ dài sườn trước (giai đoạn nạp tụ) đã đạt đến 1800 điện. Trong sơ đồ này ta sử dụng phần sườn trước. Để sườn sử dụng có dạng đường thẳng (tuyến tính) ta nạp tụ bởi nguồn dòng không đổi như sơ đồ sau (hình 2.52). Trong sơ đồ trên thì R4 là để hạn chế biên độ dòng phóng của tụ qua Tr mở để bảo vệ Tr, còn biến trở WR dùng để chỉnh định biên độ điện áp răng cưa cho phù hợp yêu cầu.

• Sơ đồ mạch phát sóng răng cưa dùng D-R-C và transitor, nạp tụ bởi dòng không đổi

Giới thiệu sơ đồ Trên sơ đồ này (hình 2.52) gồm có:

− BAĐ là máy biến áp đồng bộ để tạo ra tín hiệu đồng bộ hoá.

93

− Các phần tử còn lại là mạch tạo điện áp răng cưa, trong đó mạch điện gồm Tr2, Dz, R4, WR là mạch ổn định dòng để nạp tụ.

− ul là điện áp nguồn xoay chiều cấp cho sơ đồ chỉnh lưu; uđb điện áp đồng bộ; Ucc điện áp một chiều cung cấp cho sơ đồ tạo sóng răng cưa; urc điện áp răng cưa đầu ra của sơ đồ; U0 là điện áp ổn định trên diode ổn áp Dz; ic1, ic2 và ie2 là dòng cực góp Tr1, Tr2 và dòng cực phát của Tr2.

o

a

e2

ie2

ic1

b2

ic2c2

urc

*

M¹ch ®ång bé D

ul

R1

+Ucc

R3

Tr2

Tr1

R4R2

Dz

uc

*

u®b

BA§

C

WR

U0

Hình 2.52

Nguyên lý làm việc: Trước tiên ta giới thiệu sơ lược nguyên lý của mạch tạo ra dòng điện không đổi

(ổn dòng): Ta có điện áp giữa cực phát và gốc Tr2 là: ueb2 = U0 - ie2.RWR

Với RWR là trị số điện trở của biến trở WR. Do sụt điện áp giữa cực phát và cực gốc của một transitor hầu như không thay đổi khi dòng cực gốc thay đổi nên ta xem ueb2 =A=const. Vậy ta có: ie2 = (U0 - ueb2)/RWR=I= const, mặt khác ta lại có ic2≈ie2=I=const. Tức là dòng điện qua cực góp Tr2 có giá trị không đổi.

Ta giả thiết rằng: tại ωt=0 thì uđb=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương, tại ωt=0 điện áp trên tụ C đang bằng không (uc=0).

Vậy sau thời điểm ωt=0 thì uđb>0 (điểm a dương hơn điểm o) nên trên D được đặt điện áp thuận, D sẽ mở dẫn đến sẽ có dòng điện từ cuộn thứ cấp BAĐ đi qua R2 và diode D, nếu bỏ qua sụt điện áp rất nhỏ trên cuộn dây máy biến áp đồng bộ hoá và trên diode D thì trên R2 được đặt điện áp bằng toàn bộ s.đ.đ. thứ cấp BAĐ, tức là uđb. Điện sụt trên R2 lúc này có thế dương đặt vào cực phát Tr1, còn thế âm đặt vào cực gốc Tr1, do vậy mạch gốc-phát transitor Tr1 bị đặt điện áp ngược và Tr1 khoá (không có dòng cực góp). Transitor Tr1 khoá thì tụ C được nạp điện bởi dòng cực góp Tr2 có giá trị ổn định I. Điện áp trên tụ tăng dần theo qui luật:

uc = I.t /C đây là qui luật tuyến tính.

Urcmax

u®bu

ν1

94

Hình 2.53

ωt

3π2π π

urc

Đến ωt=π thì điện áp đồng bộ uđb = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ âm (điểm a trở nên âm hơn điểm O). Van D bị đặt điện áp ngược và khoá lại do vậy điện áp đồng bộ không còn tác động đến mạch gốc-phát của Tr1 nữa, lúc này dưới tác động của nguồn cung cấp một chiều qua điện trở định thiên R1 trong mạch định thiên theo kiểu phân áp gồm R1 và R2 mà Tr1 mở. Khi Tr1 mở thì tụ ngừng nạp và bắt đầu phóng điện qua mạch góp-phát của transitor Tr1 và điện trở bảo vệ transitor là R3,người ta tính chọn các điện trở R1, R2 và Tr1 sao cho Tr1 mở bão hoà với dòng điện cực góp là I .Vậy tụ C sẽ ngừng phóng khi điện áp trên tụ giảm xuống bằng sụt điện áp bão hoà của Tr1 cộng với sụt áp trên R3 gây nên bởi dòng mở bão hoà của Tr1: uR3= I.R3. Sụt điện áp bão hoà trên một transitor mở rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua, mặt khác do R3 rất nhỏ và I cũng có giá trị rất nhỏ (cỡ 1÷ 5 mA) nên cũng có thể bỏ qua sụt áp trên R3 (uR3=0). Như vậy thì tụ C sẽ phóng đến điện áp bằng không (tại ωt=ν1) và do Tr1 vẫn mở nên điện áp trên tụ giữ nguyên giá trị bằng không cho đến thời điểm ωt=2π. Tại ωt=2π thì uđb=0 và lại bắt đầu chuyển sang dương, diode D lại được đặt điện áp thuận nên lại mở và Tr1 lại khoá, do vậy tụ C lại được nạp tương tự như từ ωt=0 và sự làm việc của sơ đồ lặp lại như chu kỳ vừa xét. Điện áp răng cưa đầu ra cũng chính là điện áp trên tụ C và dạng điện áp ra urc được cho trên hình 2.53. Với sơ đồ này thì biên độ điện áp răng cưa không phụ thuộc vào biên độ điện áp đồng bộ, dạng điện áp ra đã gần với hình răng cưa và độ dài sườn trước (giai đoạn nạp tụ) cũng đạt đến 1800 điện. Trong sơ đồ này ta sử dụng phần sườn trước.Trong sơ đồ trên thì R3 là để hạn chế biên độ dòng phóng của tụ qua Tr1 mở để bảo vệ Tr1,còn biến trở WR dùng để chỉnh định biên độ điện áp răng cưa cho phù hợp yêu cầu.

• Sơ đồ mạch phát sóng răng cưa dùng vi mạch khuếch đại thuật toán (KĐTT) Giới thiệu sơ đồ (hình 2.54) Sơ đồ cũng gồm có máy biến áp đồng bộ hoá BAĐ để tạo ra điện áp đồng bộ uđb.

Phần mạch tạo điện áp răng cưa cũng sử dụng diode,transitor,các điện trở,tụ điện và ở đây để tạo ra dòng nạp tụ ổn định ta ứng dụng tính chất đặc biệt của các bộ khuếch đại thuật toán vi điện tử KĐTT. Nguyên lý làm việc Trong sơ đồ này ta sử dụng khuếch đại thuật toán KĐTT ghép với tụ C thành một mạch tích phân. Nguyên lý hoạt động của khâu này như sau: Giả thiết Tr khoá thì tụ C được nạp bởi dòng đầu ra của KĐTT, dòng nạp tụ được xác định ic = -i1 + iv-. Nếu KĐTT là lý tưởng thì điện trở vào của nó bằng vô cùng, dẫn đến dòng vào iv- và iv+ bằng không, do vậy: ic=-i1, mặt khác i1=-Ucc/ (WR+R)=I=const. Điều này có nghĩa rằng khi Tr khoá thì tụ C được nạp bởi dòng không đổi có giá trị I.

Vậy ta có: Từ ωt=0 thì uđb=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương,dẫn đến D mở nên mạch phát gốc Tr bị đặt điện áp ngược, Tr khoá, tụ C được nạp điện bởi dòng không đổi. Điện áp trên tụ tăng dần theo qui luật tuyến tính. Đến ωt=π và bắt đầu chuyển sang âm, D khoá, Tr mở nên tụ C phóng điện nhanh qua Tr đến điện áp bằng không và giữ nguyên giá trị bằng không cho đến ωt=2π. Tại ωt=2π, điện áp đồng bộ bằng không và bắt đầu chuyển sang dương, D lại mở, Tr lại khoá, tụ C lại được nạp điện như từ ωt=0.

o

a

ic1

urc

*

M¹ch ®ång D

ul

R1

+Ucc

-Ucc

iv-i1

iv+

Tr

-

+ K§TT

R2

R3

uc

*

u®b

BA§

C

WR

uv

Hình 2.54

95

Hình 2.55

Với giả thiết KĐTT là lý tưởng thì hệ số khuếch là vô cùng lớn, vậy nếu KĐTT đang ở chế độ khuếch đại tuyến tính thì điện giữa hai đầu vào được xem là bằng không (uv=0). Từ sơ đồ ta có: urc=uc+uv=uc. Tức là điện áp răng cưa đầu ra của sơ đồ bằng điện áp trên tụ C. Đồ thị điện áp răng cưa được biểu diễn trên hình 2.55.

Urcmax

u®bu

ν1 ωt

3π 2π π

urc

Do điện áp răng cưa là điện áp ra của KĐTT nên có nội trở rất nhỏ, vì vậy dạng điện áp ra hầu như không phụ thuộc vào tải mắc ở đầu ra mạch phát sóng răng cưa. Với sơ đồ này dung lượng tụ C chỉ cần rất nhỏ (thường chọn khoảng 220nF), vì vậy chọn tụ dễ dàng, mặt khác tụ phóng rất nhanh nên rất an toàn cho transitor Tr và điện áp ra rất gần với dạng răng cưa lý tưởng. II.4.2.3 Khâu so sánh Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện một cách chu kỳ với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa (cũng là chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu) và điều khiển được thời điểm xuất hiện của mỗi xung ta sử dụng các mạch so sánh. Có thể thực hiện khâu so sánh theo nhiều mạch khác nhau nhưng phổ biến nhất hiện nay là các sơ đồ so sánh dùng transitor và dùng bộ khuếch đại thuật toán bằng vi điện tử. Trong các sơ đồ mạch so sánh thì ta thường có hai tín hiệu vào là điện áp răng cưa lấy từ đầu ra khâu ĐBH-FSRC (urc ) và điện áp điều khiển một chiều (uđk ). Hai điện áp này được mắc sao cho tác dụng của chúng đối với đầu vào khâu so sánh là ngược chiều nhau. Có hai cách nối các điện áp này trên đầu vào mạch so sánh:

Nối nối tiếp urc và uđk: Tổng hợp nối tiếp. Nối song song qua các điện trở tổng hợp: Tổng hợp song song.

a/- Các sơ đồ mạch so sánh thường sử dụng Các sơ đồ khâu so sánh thường sử dụng hiện nay được cho trên hình 2-56. Hình 2.56a là sơ đồ dùng transitor tổng hợp nối tiếp, hình2.56b là sơ đồ dùng transitor tổng hợp song song, hình2.56c là sơ đồ dùng IC khuếch đại thuật toán (A) tổng hợp nối tiếp, hình2.56d là sơ đồ dùng IC khuếch đại thuật toán (A) tổng hợp song song. Trong sơ đồ hình 2.56c và d có thêm mạch gồm điện trở R và diode D là để cho điện áp ra giống như các sơ đồ hình 2.56a và b, trong nhiều trường hợp thường không cần.

Nguyên lý làm việc của cả 4 sơ đồ trên tương tự nhau, vậy ta chỉ cần xét nguyên lý làm việc của một sơ đồ. Nguyên lý làm việc sơ đồ (hình 2.56a)

96

urc

Hình 2.57

u u®k

0 ν2ν1

3π 2π π ωt

ura

Ucc

α0 ν2 ν2'ν1 ν1'

3π 2π π ωt

Giả sử điện áp răng cưa và điện áp điều khiển có dạng như hình 2.57a.

uraura

urc

u®k

c

+Ucc

-Ucc

R-

D+A R2R1

urcu®k

d

+Ucc

-Ucc

R-

D+ A

+Ucc

Rk

urc Trura

u®k

a

+Ucc

Rk

R2R1Tr

ura

urcu®k

b

uBE uBE

Hình 2.56

Mặt khác từ sơ đồ hình2-57a ta có: nếu uđk >0 thì nó sẽ có xu hướng đặt điện áp thuận lên mạch gốc-phát Tr, tức là làm mở Tr, còn điện áp điều khiển thì ngược lại, nếu urc>0 thì nó có xu hướng đặt điện áp ngược lên tiếp giáp gốc-phát Tr và làm khoá Tr. Điện áp đặt lên tiếp giáp gốc-phát của transitor Tr là uBE=uđk-urc, và trong trường hợp này thì urc, uđk đều dương nên ta có:

− Trong giai đoạn ωt=0÷ωt<ν1 thì |urc|<|uđk| do vậy uBE>0 nên Tr mở, giả thiết rằng Tr mở bão hoà và bỏ qua sụt áp trên Tr khi mở bão hoà ta có ura=0.

− Từ ωt=ν1÷ ωt=ν1' thì |urc|≥|uđk|, dẫn đến 0≥uEB, tức là mạch gốc-phát Tr bị đặt điện áp ngược, Tr khoá lại, bỏ qua sụt áp trên điện trở mạch cực góp Rk bởi dòng rò của Tr và dòng qua tải của khâu so sánh (trong sơ đồ không biểu diễn) thì điện ra bằng điện áp trên Tr và bằng điện áp nguồn: ura=Ucc.

− Trong giai đoạn ωt>ν1' ÷ ωt<ν2 thì |urc| < |uđk| do vậy uBE>0 nên lại Tr mở và ta cũng giả thiết rằng Tr mở bão hoà, bỏ qua sụt áp trên Tr khi mở bão hoà: ura=0.

− Từ ωt=ν2 thì |urc|≥|uđk|, dẫn đến 0≥uEB, tức là mạch gốc-phát Tr lại bị đặt điện áp ngược, Tr lại khoá và ura=Ucc .

97

Sự làm việc của sơ đồ trong các giai đoạn tiếp theo diễn ra tương tự và lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa. Nếu ta giả thiết rằng thời điểm mở tự nhiên của thyristor được điều khiển bởi mạch phát xung dùng khâu so sánh này là các thời điểm ωt=0; ωt=2π; ωt=4π; ... thì góc điều khiển α được xác định như trên đồ thị hình 2.57. Từ đó ta nhận thấy: để thay đổi giá trị góc điều khiển α khi dạng điện áp răng cưa không đổi ta thay đổi giá trị điện áp điều khiển uđk, với sơ đồ này thì khi uđk tăng lên giá trị α sẽ tăng lên. II.4.2.4 Khâu tạo xung Để đảm bảo các yêu cầu về độ chính xác của thời điểm xuất hiện xung, sự đối xứng của xung ở các kênh khác nhau, v.v... mà người ta thường thiết kế cho khâu so sánh làm việc với công suất xung ra nhỏ, do đó xung ra của khâu so sánh thường chưa đủ các thông số yêu cầu của điện cực điều khiển thyristor. Để có xung có đủ các thông số yêu cầu cần thiết ta phải thực hiện việc khuếch đại xung, thay đổi lại độ dài xung, trong một số trường hợp cần phải phân chia các xung, và cuối cùng là truyền xung từ đầu ra của mạch phát xung đến điện cực điều khiển và Cathode của thyristor. Vì vậy mà ta phải sử dụng một số mạch điện để thực hiện các công việc đã nêu, các mạch điện này thường gồm: Mạch khuếch đại xung; Mạch sửa xung; Mạch phân chia xung; Mạch truyền xung đến thyristor (thường được gọi là thiết bị đầu ra), toàn bộ các mạch này được ghép chung vào một khâu là khâu tạo xung. Tuỳ trường hợp cụ thể mà có thể có đầy đủ các phần mạch riêng biệt để thực hiện đầy đủ tất cả các nhiệm vụ đã nêu, có trường hợp chỉ có một hoặc một số mạch nhất định nào đó. a/- Mạch truyền xung ra đến thyristor (thiết bị đầu ra) Thông thường người ta sử dụng hai cách truyền xung từ đầu ra hệ thống điều khiển đến mạch G-K của thyristor, đó là truyền xung trực tiếp và truyền xung qua máy biến áp xung.

• Truyền xung trực tiếp: Đây là biện pháp truyền xung đơn giản nhất: dùng dây dẫn điện nối từ đầu ra mạch phát xung (thường là trên điện trở cực góp của transitor khuếch đại công suất xung) đến các điện cực G và K của thyristor. Biện pháp này rất ít được sử dụng vì nó có một số nhược điểm như sau:

Có sự liên hệ trực tiếp về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển bộ chỉnh lưu.

Khó thực hiện truyền xung đồng thời đến một số thyristor mắc nối tiếp hoặc song song.

Khó phối hợp tốt giữa nguồn một chiều cung cấp cho mạch khuếch đại xung với biên độ xung cần thiết trên thyristor.

• Truyền xung qua máy biến áp xung: Đây là biện pháp truyền xung được sử dụng nhiều nhất hiện nay vì nó khắc phục tốt các nhược điểm của truyền xung trực tiếp. Nội dung của cách truyền xung này là sử dụng một máy biến áp xung ghép giữa đầu ra tầng khuếch đại công suất xung với điện cực điều khiển G và Cathode K của thyristor. Biện pháp truyền xung này có các ưu điểm:

Đảm bảo sự cách ly tốt về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển bộ chỉnh lưu.

Dễ dàng thực hiện việc truyền đồng thời các xung đến các thyristor mắc nối tiếp hoặc song song bằng cách dùng máy biến áp xung có nhiều cuộn thứ cấp.

Dễ dàng phối hợp giữa điện áp nguồn cung cấp cho tầng khuếch đại công suất xung và biên độ xung cần thiết trên điện cực điều khiển của thyristor nhờ việc chọn tỉ số máy biến áp xung phù hợp.

Máy biến áp xung về cơ bản có kết cấu như một máy biến áp bình thường công suất nhỏ, chỉ khác nhau trong phần tính toán mạch từ và số vòng dây. Khi hoạt động thì tương tự như máy biến áp làm việc với dòng không sin hoặc có thể xét như là các cuộn dây có liên hệ hỗ cảm với nhau, nhưng phải chú ý rằng hệ số hỗ cảm là phi tuyến và sẽ bằng không khi từ trường lõi thép máy biến áp xung đạt giá trị bão hoà. Để phân biệt với các máy biến áp làm nhiệm vụ khác trong sơ đồ, ta ký hiệu máy biến áp xung là BAX. b/- Mạch khuyếch đại xung Để khuếch đại công suất xung hiện nay phổ biến nhất là các sơ đồ khuếch đại xung bằng transitor và thyristor.

Các sơ đồ khuếch đại xung dùng thyristor được sử dụng khi có yêu cầu công suất xung điều khiển lớn và độ dài xung lớn, ví dụ như trong một số bộ chỉnh lưu dòng cực lớn cung cấp cho hệ thống mạ điện hoặc điện phân.Trong kiểu sơ đồ này người ta sử dụng các thyristor công suất nhỏ được điều khiển bởi xung ra của khâu so sánh hoặc đã qua một tầng khuếch đại bằng transitor, mạch anode-Cathode của van nối với cuộn sơ cấp BAX. Trong chương trình này ta không đi sâu nghiên cứu mạch phát xung này.

Hình 2.58

+Ucc * *

W1 W2

BAX G

K

D3

u®kTD1 D2

Tr1

uvTr2

Các sơ khuếch đại xung dùng transitor được sử dụng phổ biến hơn. Trong các sơ đồ khuếch đại này người ta thường sử dụng sơ đồ cực phát chung và có từ 1 đến 2 tầng khuếch đại. Trong nhiều trường hợp, để đơn giản cho kết cấu mạch mà vẫn đảm bảo chất lượng người ta thường sử dụng 2 transitor ghép kiểu Darlingtơn (mắc nối tiếp hai transitor) và mắc thành một tầng khuếch đại. Hình 2.58 là một sơ đồ khuếch đại xung mắc theo kiểu đã nêu và đầu ra dùng máy biến áp xung BAX. Hai transitor Tr1 và Tr2 ghép nối tiếp như vậy tương đương với một transitor có hệ số khuếch đại dòng điện theo sơ đồ phát chung (β) bằng tích hệ số khuếch đại dòng của hai transitor thành phần: β = β1.β2, với β1, β2 là hệ số khuếch đại dòng điện theo sơ đồ cực phát chung của Tr1 và Tr2.

Các điện áp uv và uđkT là điện áp vào tầng khuếch đại (là điện áp ra của mạch sửa xung hoặc mạch phân chia xung hoặc có trường hợp là điện áp ra của khâu so sánh) và điện áp điều khiển thyristor (G,K là cực điều khiển và Cathode của thyristor).

• Nguyên lý hoạt động của sơ đồ:

98

uv

0 t2't2t1t1t

u®kT

0 t2't2t1t1

txv

txr tbh

t

t

t

uv

0 t2 t2' t1't1

u®kT

0 t2' t2t1t1

txv

txr= tbh

99

H×nh 2.59a: §å thÞ ®iÖn ¸p khi tbh≥t H×nh 2.59b: §å thÞ ®iÖn ¸p khi tbh<txvxvNếu ta gọi thời gian tồn tại của một xung điện áp vào là txv, thời gian tồn tại của một xung điện áp ra là txr, thời gian tính từ lúc đóng một nguồn điện áp một chiều không đổi có giá trị bằng Ucc cho đến lúc từ thông lõi thép máy biến áp xung đạt giá trị từ thông bão hoà (với giả thiết là không hạn chế về thời gian đóng nguồn và phía cuộn thứ cấp BAX vẫn mắc với điện cực điều khiển thyristor như trong sơ đồ hình 2.58) là tbh. Với sơ đồ khuếch đại xung này có thể xẩy ra hai .trường hợp khác nhau:

Trường hợp thứ nhất: Khi tbh≥txv Từ t=0÷t<t1 thì chưa có xung vào nên 2 transitor chưa làm việc, không có dòng điện nào chạy trong cuộn sơ cấp BAX nên không có xung điện áp trên cuộn thứ cấp, tức là uđkT=0 (chưa có tín hiệu điều khiển thyristor). Tại t=t1 xuất hiện một xung điện áp vào dương, dẫn đến Tr1 và Tr2 đều mở, giả thiết là mở bão hoà, trên cuộn dây sơ cấp BAX đột ngột được đặt điện áp bằng Ucc, xuất hiện dòng điện qua cuộn sơ cấp W1 của máy biến áp xung tăng dần (dòng qua W1 đi từ phía cực tính có dấu (*) sang phía không có dấu (*)) dẫn đến trên cuộn thứ cấp xuất hiện một xung điện áp có cực tính dương ở phía có dấu (*). Xung trên cuộn thứ cấp đặt thuận lên D3 và truyền qua D3 đến điện cực điều khiển và Cathode của thyristor. Đến t=t1'=t1+txv thì mất xung vào, hai transitor Tr1 và Tr2 cùng khoá lại dòng qua cuộn sơ cấp sẽ giảm về bằng không, do sự giảm của dòng cuộn sơ cấp BAX nên từ thông trong lõi thép BAX biến thiên theo hướng ngược lại lúc Tr1 và Tr2 mở dẫn đến trong các cuộn dây BAX xuất hiện xung điện áp với cực tính ngược lại. Xung trên cuộn thứ cấp làm khoá D3 nên không còn xung trên điện cực điều khiển của thyristor, tức là uđkT=0, ta giả thiết là không có D2 nên cuộn thứ cấp coi như hở mạch. Lúc này nếu trên cuộn sơ cấp ta không mắc diode D1 thì dòng qua cuộn sơ cấp sẽ giảm đột ngột gây nên sự đột biến từ thông BAX và làm cho biên độ xung điện áp trên các cuộn dây rất lớn. Về lý thuyết thì di/dt→ ∞ nên dφ/dt→ ∞ và điện áp cảm ứng trên các cuộn dây cũng tiến đến vô cùng lớn. Nhưng trong thực tế do điện dung ký sinh giữa các vòng dây mà di/dt không→ ∞ nên s.đ.đ. cảm ứng trên các cuộn dây cũng có giá trị hữu hạn, tuy vậy nó cũng đạt giá trị rất lớn (cỡ từ 5 đến 20 lần giá trị Ucc), xung điện áp lúc này trên cuộn sơ cấp cộng tác dụng với điện áp Ucc đặt toàn bộ lên các transitor dễ làm hỏng các transitor và chọc thủng cách điện các vòng dây của BAX. Để đảm bảo an toàn cho các transitor và BAX người ta mắc song song với cuộn sơ cấp BAX một diode (D1) như trên sơ đồ.

Tác dụng của D1 như sau: Khi mất xung vào, các transitor khoá lại và gây nên sự giảm của dòng cuộn W1 làm xuất hiện các xung điện áp trên các cuộn dây có cực tính ngược với khi mở các transitor (được gọi là các xung âm) thì xung trên cuộn sơ cấp đặt thuận lên D1 làm D1 mở. Do vậy mà dòng qua cuộn sơ cấp BAX không giảm đột ngột mà vẫn được duy trì qua D1 nên xung điện áp xuất hiện trên các cuộn dây cũng có giá trị nhỏ. Trong trường hợp này thì điện áp tổng trên W1 bằng sụt điện áp

100

trên một diode mở và s.đ.đ. cảm ứng trên W1 bằng sụt điện áp trên D1 cộng với sụt áp trên điện trở cuộn sơ cấp cũng có giá trị rất nhỏ. Vì vậy mà xung trên cuộn thứ cấp cũng có giá trị không đáng kể. Điện áp trên các transitor tại thời điểm khoá bằng Ucc cộng với điện áp trên cuộn sơ cấp bằng sụt áp trên một diode mở nên nó có giá trị ≈Ucc nên rất an toàn cho các transitor.

Tác dụng của D2 cũng tương tự như của D1: Giả sử không có D1 mà trong sơ đồ lại có D2. Tại thời điểm mất xung vào,các transitor khoá lại, xuất hiện các xung điện áp âm trên các cuộn dây BAX. Như vậy cuộn sơ cấp hở mạch nên dòng qua cuộn sơ cấp giảm đột ngột về bằng không, tuy vậy do xung trên cuộn thứ cấp lại đặt thuận lên D2 nên sẽ có dòng khép kín qua D2 và cuộn thứ cấp của BAX, ta thấy rằng với chiều dòng qua cuộn W2 mà thuận chiều qua D2 thì từ trường do cuộn W2 gây ra lúc này cùng chiều với từ trường do W1 tạo ra khi các transitor đang mở. Kết quả là từ trường lõi thép BAX giảm chậm nên xung điện áp cảm ứng trên các cuộn dây cũng có giá trị nhỏ, đảm bảo an toàn cho các transitor và máy biến áp xung.

Trường hợp thứ hai: Khi tbh<txv Từ t=0÷t<t1 thì chưa có xung vào nên 2 transitor chưa làm việc, không có dòng điện nào chạy trong cuộn sơ cấp BAX nên không có xung điện áp trên cuộn thứ cấp, tức là uđkT=0 (chưa có tín hiệu điều khiển thyristor). Tại t=t1 xuất hiện một xung điện áp vào dương, dẫn đến Tr1 và Tr2 đều mở, giả thiết là mở bão hoà, trên cuộn dây sơ cấp BAX đột ngột được đặt điện áp bằng Ucc, xuất hiện dòng điện qua cuộn sơ cấp W1 của máy biến áp xung tăng dần (dòng qua W1 đi từ phía cực tính có dấu (*) sang phía không có dấu (*)) dẫn đến trên cuộn thứ cấp xuất hiện một xung điện áp có cực tính dương ở phía có dấu (*). Xung trên cuộn thứ cấp đặt thuận lên D3 và truyền qua D3 đến điện cực điều khiển và Cathode của thyristor. Đến t= t1+tbh thì mạch từ BAX bị bão hoà, dẫn đến từ thông lõi thép BAX không biến thiên nữa nên xung điện áp cảm ứng trên các cuộn dây mất, xung ra cũng mất (uđkT=0). Đến t=t1'=t1+txv thì mất xung vào, hai transitor Tr1 và Tr2 cùng khoá lại dòng qua cuộn sơ cấp sẽ giảm về bằng không, do sự giảm của dòng cuộn sơ cấp BAX nên từ thông trong lõi thép BAX biến thiên theo hướng ngược lại lúc Tr1 và Tr2 mở dẫn đến trong các cuộn dây BAX xuất hiện xung điện áp với cực tính ngược lại. Các xung điện áp âm cũng được khử nhờ D1 hoặc D2 tương tự như ở trường hợp trước. Như vậy trong trường hợp này thì độ dài xung ra bằng thời gian bão hoà của BAX: txr = tbh . **Chú ý: Trong một số trường hợp người ta cần lấy xung điều khiển thyristor xuất hiện tại thời điểm khoá các transitor (tức là tại các thời điểm mất xung vào dương hoặc xuất hiện xung vào âm khi sử dụng transitor khuếch đại loại N-P-N như trên hình 2.58), lúc đó ta phải đảo lại cực tính của cuộn sơ hoặc cuộn thứ cấp BAX và không được dùng D1 để khử xung âm. Lúc đó nếu cần khử xung điện áp âm (xung âm là các xung xuất hiện trên các cuộn dây BAX mà lúc đó xung trên cuộn thứ cấp đặt ngược lên D3 và điện cực điều khiển của thyristor) thì ta dùng diode D2 (chú ý rằng trong trường hợp đó nếu không có D2 thì biên độ tối đa xung trên cuộn sơ cấp bằng Ucc, còn trên cuộn thứ cấp bằng Ucc/n, với n là tỉ số biến áp của BAX (n=W1/W2)). c/- Mạch sửa xung Từ nguyên lý hoạt động của khâu so sánh và mạch khuếch đại xung của khâu tạo xung ta thấy rằng khi thay đổi giá trị uđk để thay đổi giá trị góc điều khiển α thì độ dài xung đầu ra khâu so sánh sẽ thay đổi. Như vậy sẽ xuất hiện tình trạng là có một số trường hợp độ dài xung quá ngắn không đủ để mở thyristor và ngược lại có một số trường hợp độ dài xung lại quá lớn làm cho các transitor khuếch đại xung làm việc ở chế độ

dòng cực góp lớn khi điện áp cực góp cao (khi máy biến áp xung đã bão hoà), gây nên tổn thất lớn trong mạch phát xung và làm tăng kích thước mạch phát xung. Để khắc phục chúng ta đưa vào hệ thống điều khiển một mạch điện có tác dụng thay đổi lại độ dài xung cho phù hợp với yêu cầu và được gọi là mạch sửa xung. Các mạch sửa xung hoạt động theo nguyên tắc: Khi có các xung vào với độ dài khác nhau mạch vẫn cho các xung ra có độ dài giống nhau theo yêu cầu và giữ nguyên thời điểm bắt đầu xuất hiện của mỗi xung. Phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể mà mạch sửa xung có thể có kết cấu tương đối phức tạp hoặc rất đơn giản, ví dụ có trường hợp mạch sửa xung chỉ là một mạch R-C ghép giữa khâu so sánh và mạch khuếch đại xung. Sau đây ta sẽ xét một sơ đồ sửa xung dùng các transitor kết hợp với mạch R-C, sơ đồ này có thể thực hiện sửa xung theo hai hướng (tăng độ dài khi độ dài xung vào nhỏ và ngược lại giảm độ dài khi độ dài xung vào lớn).

• Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.60

Rk1+Ucc

ucR Rk2

- Tr1C1+

Tr2C

Rbuc1

ube2ube1 urauv -

EbR0

+

Trong sơ đồ này có: Tụ C và điện trở R là hai phần tử quyết định độ dài xung ra. Tụ C1 là tụ ghép tầng, dùng để truyền xung đến đầu vào mạch sửa xung, C1 được chọn với dung lượng đủ nhỏ, chỉ cần đủ để kích mở Tr1 tại thời điểm có xung vào. Eb, Rb là nguồn thiên áp ngược và điện trở cực gốc dùng để khoá Tr1 một cách chắc chắn. R0 là điện trở của mạch phản hồi dương, được dùng để duy trì trạng thái mở của Tr1 khi điện áp ra bằng Ucc. Ngoài ra trong sơ đồ còn có một số các phần tử khác như Tr1, Tr2, Rk1, Rk2. Toàn bộ sơ đồ được cung cấp bởi nguồn điện áp một chiều ổn định Ucc.

• Nguyên lý hoạt động của sơ đồ Trong sơ đồ này việc tính chọn các giá trị của Eb, Rb, R0, Ucc sao cho:

− Tr1 sẽ khoá khi không có xung vào hoặc có xung vào nhưng tụ C1 đã nạp đầy đến giá trị uc1≈uv mà khi đó ura≈0.

− Tr1 sẽ mở bão hoà khi không có xung vào hoặc có xung vào nhưng tụ C1 đã nạp đầy đến giá trị uc1≈uv nhưng nếu ura≈Ucc .

101

− Tr1 sẽ mở bão hoà khi có xung vào mà điện áp trên tụ C1 đang ≈0 bất kể lúc đó ura có giá trị bằng bao nhiêu. Xuất phát từ đó ta có nguyên lý

hoạt động của sơ đồ như sau: Từ các chú ý đã nêu, với giả

thiết điện áp vào như đồ thị hình 1-56a, ta có:

Từ t=0 ÷ t<t1 chưa có xung điện áp vào, nhờ điện trở định thiên R mà Tr2 mở bão hoà nên sụt áp trên Tr2 rất nhỏ và có thể bỏ qua (gần đúng ta xem là bằng không), do vậy điện áp ra

t

t

t

t

t

t

uv

0 t1'

txv

t1 t2' t2 t3't3

uc1

0 t1 t2 t3

ube1

ube2

0

t1''

t1

t2''

t2

t3''

t3

Ucc

uc

0 t1 t3t2

a

b

c

Δube

Ucc

ura

0 t1'

txr

t2' t2 t3't3

0 t1 t2 t3

d

Δube

e

g

Hình 2.61

102

bằng điện áp trên Tr2 và bằng không (ura=0). Do ura=0, chưa có tín hiệu vào nên trên mạch gốc-phát của Tr1 có điện áp ngược gây nên bởi nguồn thiên áp ngược Eb và Tr1 khoá, tụ C sẽ được nạp điện bởi nguồn cung cấp một chiều Ucc qua điện trở Rk1 và mạch gốc-phát của Tr2 đến điện áp gần bằng nguồn cung cấp. Trong trường hợp này ta giả thiết sụt điện áp mạch gốc-phát của các transitor khi mở là Δube và có giá trị gần như không đổi. Vậy trong giai đoạn này ube2=Δube>0, còn ube1<0. Tại t=t1 xuất hiện một xung điện áp vào dương, tụ C1 được nạp bởi xung vào và một trong 2 thành phần dòng nạp tụ là xung dòng qua cực gốc Tr1 và Tr1 chuyển sang mở bão hoà. Transitor Tr1 chuyển sang mở bão hoà thì sụt trên nó rất nhỏ, tụ C sẽ phóng điện qua mạch góp-phát của Tr1-qua nguồn cung cấp một chiều Ucc - qua điện trở R. Do sụt áp trên Tr1 rất nhỏ cho nên gần như toàn bộ điện áp của tụ C được đặt lên mạch gốc-phát của Tr2. Với cực tính điện trên tụ C lúc này như biểu diễn trên sơ đồ và đồ thị mà ube2<0, Tr2 khoá. Do Tr2 khoá, bỏ qua sụt áp trên Rk2 bởi dòng mạch tải của mạch sửa xung thường có giá trị rất nhỏ nên ura≈Ucc, xuất hiện xung điện áp trên đầu ra. Mặc dù tụ C1 có giá trị rất nhỏ nên chỉ một thời gian rất ngắn sau thời điểm xuất hiện xung vào thì tụ C1 đã được nạp đầy và dòng qua tụ C1 sẽ bằng không và tụ C1 không còn tác dụng đến đầu vào Tr1 nữa nhưng Tr1 vẫn được duy trì mở bão hoà nhờ điện áp đầu ra lúc này là ura≈Ucc được đưa trở lại cực gốc Tr1 qua R0. Khi điện áp trên tụ C giảm về bằng không thì trên cực gốc Tr2 lại xuất hiện điện áp thuận bằng Δube do nguồn cung cấp truyền đến qua R nên Tr2 lại mở. Transitor Tr2 mở thì ura giảm về gần bằng không, mặt khác lúc này tín hiệu vào còn hay không cũng không còn tác dụng đến cực gốc Tr1 nữa (như đã nêu ở trên) do vậy transitor Tr1 sẽ khoá lại. Do Tr1 khoá lại nên tụ C lại được nạp lại từ nguồn qua Rk1, qua mạch gốc phát Tr2 và sẽ nạp đến giá trị bằng Ucc để chuẩn bị cho lần làm việc tiếp theo. Tại thời điểm t=t1+txv thì mất xung vào, tụ C1 sẽ phóng điện qua mạch tín hiệu vào, Eb và điện trở Rb đến điện áp gần bằng không (coi là bằng không). Như vậy thời gian tồn tại của một xung điện áp ra (txr) bằng khoảng thời gian phóng của tụ C qua Tr1 mở bão hoà, qua nguồn Ucc, qua điện trở R từ giá trị gần bằng Ucc đến điện áp bằng không.

Ta có biểu thức điện áp trên tụ C ở giai đoạn phóng điện là: uc= -Ucc+2.Ucc.e- (t-t1)/τ , với τ =R.C.

Từ biểu thức này khi thay t=t1+txr và cho uc=0 ta rút ra: txr=C.R.ln2 . Như vậy ta thấy rằng độ dài một xung ra chỉ phụ thuộc vào giá trị của R và C

mà hoàn toàn không phụ thuộc vào độ dài xung vào. Sơ đồ này có ưu điểm là có thể giữ nguyên độ dài xung ra khi độ dài xung vào

có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn txr. Tuy vậy việc phải sử dụng thêm nguồn thiên áp ngược Eb làm cho kết cấu mạch điện phức tạp lên.

Trong đa số các sơ đồ khi xung vào thường có độ dài lớn hơn độ dài xung ra người ta sử dụng các mạch đơn giản hơn. d/- Mạch phân chia xung Trong một số hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu để đảm bảo sự đối xứng của tín hiệu điều khiển trên các van của sơ đồ chỉnh lưu người ta sử dụng một mạch ĐBH-FSRC và một khâu so sánh chung, xung ra của khâu so sánh có tần số lớn hơn n lần tần số nguồn xoay chiều (n là số van chỉnh lưu cần được cấp tín hiệu điều khiển bởi hệ thống phát xung này). Để làm mạch phân chia xung người ta có thể sử dụng nhiều linh kiện bán dẫn và vi điện tử khác nhau, ví dụ có thể dùng các sơ đồ trigơ, các mạch đa hài có đợi, các mạch lôgic dạng mạch và, mạch hoặc, v.v..... Sau đây ta sẽ xét một mạch phân chia xung đơn giản dùng cho mạch phát xung điều khiển cho các van trong sơ đồ

chỉnh lưu cầu 1 pha hoặc sơ đồ hình tia 2 pha. Sơ đồ mạch điện hình 2.62 gồm có cả mạch đồng bộ hoá và mạch sửa xung vì chúng sử dụng một linh kiện nhiều phần tử chung vỏ là IC lôgic 4 mạch và-không (loại K511ΛA1 hay K511ΛA5 hoặc IC loại 4011). Giới thiệu sơ đồ: Trong sơ đồ có: BAĐ là máy biến áp đồng bộ dùng để tạo ra điện áp đồng bộ uđb. Các transitor Tr1, Tr2, Tr3, Tr4,Tr5; các điện trở R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8,WR; IC2; các mạch &2, &3 của IC1, tụ C là các phần tử của mạch tạo điện áp răng cưa. Các mạch &1, &4 của IC1, các transitor Tr6, Tr7, các điện trở R9, R10, R11, R12 là các phần tử cơ bản của mạch phân chia xung (thực tế thì các điện áp uk1 và uk2 cũng đồng thời là tín hiệu điều khiển mạch phân chia xung nên cũng có thể nói: các phần tử Tr1, Tr2, Tr3, Tr4, R1, R2, R3, R4, R5 cũng nằm trong mạch phân chia xung). IC1 được cung cấp bởi nguồn +Ucc, còn IC2 được cung cấp bởi nguồn một chiều đối xứng ±Ucc.

urc

BA§

*

ul *

u®b

R4R2

IC1

R5

uk3

uk4

u®b1R3

+Ucc

Xung tõ ®Çu ra kh©u so s¸nh hoÆc m¹ch söa xung

R1

Tr3

Tr6

Tr7

Tr1

Tr4

Tr2

-Ucc

uxv

-

R6

Tr5

+

IC2R8

C R7

WR

R11

R9

R10

R12

R13

&1

&2

&3

&4

Hình 2.62

Hình 2.63

u®b

ωt

2π π

Δube

Δube

uk3

uk4

u®b1

ωt

2π π

ωt

2π π

ωt

2π π

ν3'ν3ν2' ν2ν1'ν1

ν3 ν3'ν1'ν1

ν2 ν2'

uxv

ura1

ura2

ωt 2π π

ωt2π π

ωt2π π

urc

ωt

2π π

Nguyên lý hoạt động của mạch phân chia xung: Từ đồ thị trên hình 2.63 ta thấy rằng tần số xung ở đầu ra khâu so sánh truyền đến đầu vào mạch phân chia xung (uxv) gấp đôi tần số điện áp nguồn cung cấp cho bộ biến đổi. Mạch chia xung có nhiệm vụ phân chia xung vào ra làm 2 đường riêng biệt với tần số xung ra bằng tần số nguồn để điều khiển 2 thyristor của sơ đồ hình tia 2 pha (hoặc điều khiển 2 cặp thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha) là T1 và T2.

Giả thiết thời điểm ωt=0 là thời

103

104

điểm mở tự nhiên đối với T1, trong khoảng từ ωt=0÷ωt<ν1 thì khâu so sánh chưa cho xung ra, tức là uxv=0. Do uxv=0 nên trên một trong hai đầu vào của &1 và &4 đều có mức lôgic 0 nên trên đầu ra của chúng có mức lôgic 1, do vậy cả 2 transitor Tr6 và Tr7 đều mở bão hoà nên ura1 và ura2 đều gần bằng không, vậy cả T1 và T2 đều chưa có tín hiệu điều khiển. Tại ωt=ν1 xuất hiện một xung vào mạch chia xung (có xung ra của khâu so sánh), trên các chân của &1 và &4 nối vào điện áp uxv có mức lôgic 1. Chân còn lại của &1 được đặt điện áp uk3 lúc này cũng có mức lôgic 1 nên trên đầu ra &1 sẽ có mức lôgic 0 và Tr6 khoá lại, dẫn đến xuất hiện xung trên đầu ra 1 (ura1 ≈Ucc). Xung ra ura1 sẽ được truyền qua các mạch phía sau của khâu tạo xung, ví dụ: mạch khuếch đại xung, và cuối cùng được đưa đến điện cực điều khiển của T1 để khống chế mở T1. Chân còn lại của &4 được đặt điện áp uk4 lúc này cũng có mức lôgic 0 nên trên đầu ra &4 vẫn có mức lôgic 1 và Tr7 vẫn mở bão hoà, dẫn đến trên đầu ra 2 vẫn chưa xuất hiện xung ra (ura2 ≈0). Đến ωt=ν1' thì mất xung vào (uxv=0) thì trên đầu ra &1 lại có mức lôgic 1 và Tr6 lại mở bão hoà nên ura1≈0, sơ đồ quay lại trạng thái giống như lúc chưa xuất hiện xung vào. Từ ωt=ν1'÷ ωt<ν2 không có xung vào, điện áp trên hai đầu ra đều bằng không. Tại ωt=ν2 xuất hiện xung vào thứ hai, lúc đó điện áp uk3=0, còn uk4>0. Do vậy trên đầu ra &1 vẫn giữ mức lôgic 1, còn trên đầu ra &4 có mức lôgic 0 vì cả hai đầu vào của nó đều có mức lôgic 1 dẫn đến Tr7 khoá lại, xuất hiện điện áp ra trên đầu ra 2 (ura2 ≈Ucc). Kết quả là trên điện cực điều khiển T2 có tín hiệu điều khiển và T2 sẽ mở vì đang có điện áp thuận. Sự làm việc của sơ đồ ở các giai đoạn tiếp theo diễn ra tương tự. Đồ thị điện áp minh hoạ sự làm việc của sơ đồ biểu diễn trên hình 2.63. II.4.2.5 Một sơ đồ mạch phát xung điều khiển theo pha đứng Ta sẽ xét một sơ đồ hệ thống phát xung điều khiển cho bộ chỉnh lưu hình tia 2 pha (có thể dùng điều khiển sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha bằng cách sử dụng máy biến áp xung có 2 cuộn dây thứ cấp) như sơ đồ hình 2.64.

Trong sơ đồ này có: • Khâu ĐBH-FSRC gồm các phần tử:

− Biến áp đồng bộ hoá BAĐ dùng để tạo tín hiệu đồng bộ chung uđb. − Mạch tạo điện áp răng cưa gồm các transitor từ Tr1 đến Tr5; các phần tử &2,

&3 của vi mạch lôgic IC1; vi mạch khuếch đại thuật toán IC2; các điện trở từ R1 đến R8 và WR (WR được dùng để hiệu chỉnh biên độ điện áp răng cưa đầu ra IC2); tụđiện C1.

R4 IC1R5

uk3

uk4

u®b1

+Ucc

&1

&2

&3

&4

Tr3Tr7

Tr9

D6 D8

D9

D1,2

Tr8

Tr4

-Ucc

u®b

BA§

*

ul *

R2

R3

R1

Tr1

Tr2

u®k mang gi¸ trÞ ©m

u®k

ux1

urc

uC2

R6

Tr5

D3,4

D5 Kh©u so s¸nh

R7

R10

R13 R12 R11

R9

C1

C2

R8

WR

-

+ IC3

R16R14

R15

R17

Tr10

-

+

IC2

Tr6

BAX1

*

u®kT1

Wl1

*

BAX2

*

u®kT2

D7

*

Hình 2.64

• Khâu so sánh dùng vi mạch khuếch đại thuật toán IC3 và một số phần tử diode, điện trở liên quan, tín hiệu ra của khâu này được truyền qua mạch sửa xung rồi mới được đưa đến mạch chia xung của khâu tạo xung.

• Khâu tạo xung bao gồm: − Mạch sửa xung gồm tụ C2; transitor Tr6 và các điện trở R11, R12, R13. − Mạch chia xung thực bằng hai phần tử NOT-AND là &1 và &4 của IC1, tín

hiệu khống chế mạch này gồm có xung ra của mạch sửa xung và các tín hiệu đồng bộ đã được biến đổi uk1, uk2 tương tự mạch chia xung đã xét ở hình 1-60.

− Mạch khuếch đại công suất xung gồm hai kênh giống nhau và mỗi kênh gồm 2 tầng khuếch đại bằng các transitor (gồm từ Tr7 đến Tr10).

− Mạch truyền xung ra sử dụng máy biến áp xung BAX1 và BAX2 để truyền các tín hiệu điều khiển uđkT1, uđkT2 đến các thyristor T1 và T2 của sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha.

II.4.3 Mạch tạo xung theo pha ngang II.4.3.1 Nội dung phương pháp Để tạo xung điều khiển cho các van chỉnh lưu trước tiên người ta tạo ra các tín hiệu điều khiển hình sin có tần số bằng tần số xung điều khiển các thyristor, tức là bằng tần số nguồn cung cấp xoay chiều và có biên độ không đổi. Các xung điều khiển các van sẽ được tạo ra tại các thời điểm bằng không và bắt đầu chuyển sang dương của các điện áp điều khiển hình sin vừa nêu. Việc thay đổi giá trị góc điều khiển α được thực hiện bằng cách thay đổi góc pha của các điện áp điều khiển hình sin.

105

Hình 2.65

*

id

ud

RdD2D1

4

Ldu4-5

T1 T2

Ed5

2

1

1

03 2

K1 K2 G2G1

RG1

iC

iG

iR

uC CRG2u2-0

DG2DG1

R

uR

UR

U4-5

UCU0-1

U2-0U3-0

0

u3-0

3

BA

w21

w22w1

u1

w23

**

*

a

. ..

. ..

b

Như vậy đối với hệ thống điều khiển này thì việc trước tiên là phải tạo ra được hệ thống điện áp điều khiển dạng hình sin với biên độ không đổi và góc pha điều khiển được. Để thực hiện nhiệm vụ này hiện nay người ta sử dụng các sơ đồ cầu dịch pha dùng điện trở, tụ điện (cầu R-C) hoặc điện trở, điện cảm (cầu R-L). Khi đã có các điện áp điều khiển dạng hình sin như đã nêu thì việc tạo ra xung điều khiển cho các thyristor tại những thời điểm bằng không và bắt đầu chuyển sang dương của các điện áp hình sin có thể thực hiện bằng nhiều sơ đồ khác nhau, đơn giản nhất là dùng các diode, ngoài ra ta có thể sử dụng các mạch biến đổi tương tự-số bằng vi mạch. Sau khi đã có các xung xuất hiện đúng thời điểm cần thiết thì tuỳ thuộc vào dạng và công suất xung đã có và xung yêu cầu cần có mà ta có thể sử dụng các mạch sửa xung, khuếch đại xung,..., tương tự như các mạch đã nêu trong hệ thống điều khiển theo pha đứng.

• Xét một sơ đồ cụ thể Để làm rõ nguyên tắc phát xung này ta xét một sơ đồ phát xung điều khiển cho 2 thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha dùng 2 diode và 2 thyristor như hình2.65.

Trong sơ đồ hình 2.65 có: − BA là máy biến áp vừa làm nhiệm

cụ cung cấp cho bộ chỉnh lưu vừa cấp điện áp cho cầu dịch pha loại R-C. Điện áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha 2 diode, 2 thyristor được lấy trên cuộn thứ cấp w21 (giữa hai đầu 4 và 5) là u4-5 đồng pha với điện áp u2-0 và ngược pha với u3-0. Do 2 cuộn thứ cấp còn lại là w22 và w23 có số vòng bằng nhau nên ta có: u2-0 = -u3-0.

− Mạch động lực bộ chỉnh lưu gồm các van T1, T2, D1, D2; phụ tải có Rd, Ld, Ed. − Cầu dịch pha để tạo ra các điện áp điều khiển hình sin như đã nêu được thực

hiện bằng các phần tử: hai cuộn thứ cấp w 22, w23 trên đó lấy ra u2-0 và u3-0; hai nhánh còn lại là điện trở điều chỉnh được R và tụ điện C.

− Mạch điện dùng để tạo xung điều khiển tại thời điểm cần thiết sử dụng các diode DG1 và DG2.

*Nguyên lý làm việc của sơ đồ: Từ sơ đồ ta có: uC + uR = u2-0 - u3-0, mặt khác ta lại có iC+iG =iR. Người ta thường tính chọn các thông số của sơ đồ sao cho iC>>iG và iR>>iG nên ta có thể bỏ qua iG trong biểu thức trên và như vậy ta có iC=iR. Điều này có nghĩa rằng dòng qua tụ C và điện trở R bằng nhau, dẫn đến điện áp trên R sẽ vượt pha điện áp trên tụ C một góc bằng 900

106

. Thêm vào đó u2-0-u3-0=u2-3 là điện áp giữa hai điểm 2 và 3 bên thứ cấp BA nên nếu điện áp nguồn là không đổi thì u2-3 cũng không đổi, vậy tổng hai điện áp uR và uC là một điện áp không đổi. Các phần tử của sơ đồ là tuyến tính nên khi điện áp nguồn u1 là hình sin thì các điện áp trên R và C cũng hình sin cùng tần số. Biểu diễn phương trình điện áp trên ở dạng đồ thị véc tơ (hình 2.65b) ta có: véc tơ điện áp trên R vuông góc với véc tơ điện áp trên tụ C và tổng hai véc tơ này luôn bằng một véc tơ không đổi là véc tơ điện áp giữa hai điểm 2 và 3. Từ đó ta có nhận xét là khi thay đổi giá trị R

107

hoặc C hoặc cả hai trong phạm vi vẫn bỏ qua được ảnh hưởng của iG thì điểm mút của véc tơ điện áp trên R (điểm 1) sẽ dịch chuyển trên một nửa đường tròn đường kính là véc tơ điện áp u2-3, do vậy mà véc tơ điện áp u0-1 sẽ là véc tơ có mô đun không thay đổi (bằng bán kính đường tròn). Từ đó ta suy ra là điện áp u0-1 (và cả u1-0) là điện áp hình sin tần số bằng tần số nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu và có biên độ không thay đổi. Đây là các điện áp điều khiển mà ta cần tạo ra. Điện áp điều khiển kênh phát xung cho T1 là u0-1 còn của kênh cho T2 là u1-0. Việc hình thành các xung điều khiển các van ở những thời điểm bằng không và chuyển sang dương của các điện áp trên được thực hiện bởi các diode DG1 và DG2.

Nguyên lý: Ta giả thiết tại ωt0 thì u4-5 =0 và bắt đầu chuyển sang dương, T1 bắt đầu được đặt điện áp thuận nhưng do u0-1 chậm pha so với u4-5 một góc bằng α (trên đồ thị véc tơ hình 2.62b) nên u0-1 đang âm (điểm 0 âm hơn điểm 1), và do vậy có dòng điện đi từ điểm 1 qua RG2- G2-K2-DG1-0. Do DG1 mở nên sụt áp trên nó bằng không và điện áp trên điện cực điều khiển T1 cũng chưa có, van T1 chưa mở. Tại ωt1=ωt0+α thì u0-1=0 và bắt đầu chuyển sang dương, bắt đầu xuất hiện xung dòng qua điện cực điều khiển của T1 theo đường từ điểm 0-RG1-G1-K1-DG2-1 và van T1 có đủ 2 điều kiện để mở, dẫn đến T1 mở tại ωt1=ωt0+α. Đến thời điểm ωt0'=ωt0+π thì u4-5=0 và bắt đầu chuyển sang âm, nó đặt điện áp thuận lên T2 nhưng lúc này u1-0 đang âm, tức là u0-1 đang dương nên DG2 vẫn dẫn dòng nên chưa có xung điều khiển cho T2 và van T2 chưa mở. Đến ωt2 =ωt0'+α=ωt1+π=ωt0+π+α thì u1-0=0 và bắt đầu chuyển sang dương, dẫn đến xuất hiện xung dòng điều khiển T2 theo đường: điểm1-RG2-G2-K2-DG1-điểm 0, T2 mở. Các chu kỳ sau sự làm việc của sơ đồ diễn ra tương tự. Từ hoạt động của sơ đồ như đã nêu ta rút ra kết luận:

− Các van chỉnh lưu trong sơ đồ mở chậm so với thời điểm mở tự nhiên một góc độ điện bằng góc chậm pha α của u0-1 so với u2-0 (hoặc so với u4-5), vậy giá trị góc chậm pha này của u0-1 là giá trị góc điều khiển bộ chỉnh lưu (=α).

− Từ sơ đồ và nguyên lý hoạt động ta thấy rằng muốn thay đổi giá trị góc điều khiển α thì ta thay đổi tương quan giữa uR và uC, điều này có thể thực hiện bằng cách thay đổi hoặc R hoặc C hoặc cả R và C. Trong thực tế, khi cần phạm vi thay đổi của α hẹp thì ta giữ C=const và thay đổi trơn giá trị R nhờ dùng biến trở điều chỉnh trơn; khi cần phạm vi điều khiển rộng thì ta thực hiện thay đổi C theo một số cấp và với mỗi cấp của C ta điều chỉnh trơn R.

− Hệ thống điều khiển này có một số nhược điểm như: phạm vi thay đổi của α không rộng; rất nhạy với sự thay đổi dạng của điện áp nguồn; khó tổng hợp nhiều tín hiệu điều khiển;..., nên rất ít được sử dụng.

II.4.4 Mach tạo xung dùng dùng diode 2 cực gốc II.4.4.1 Giới thiệu sơ lược diode hai cực gốc (còn gọi là transitor một tiếp giáp) Trên hình 2.66a là sơ đồ cấu trúc diode cùng cách đấu các điện áp vào diode để xây dựng đặc tính V-A và khi làm việc. diode được cấu tạo bởi một tiếp giáp bán dẫn P-N. Từ một phiến bán dẫn si lic ban đầu loại N người ta đưa tạp chất vào một phần của nó và hình thành một vùng bán dẫn loại P và ta có tiếp giáp P-N. Vùng chuyển tiếp P-N chia khối bán dẫn N làm hai phần không đều nhau. Hai đầu của phiến bán dẫn N người ta lấy ra 2 điện cực là 2 cực gốc B1 và B2. Từ vùng bán dẫn loại P vừa hình thành người ta lấy ra điện cực thứ 3 là cực phát E. Hình1-64b là ký hiệu qui ước diode 2 cực gốc trên sơ đồ nguyên lý mạch điện. Hình2.63c là đặc tính V-A của diode hai cực gốc. Khi ta đặt lên 2 cực gốc một điện áp UBB có cực tính như hình2.66a (UBB được

gọi là điện áp thiên áp) thì qua phiến bán dẫn N có một dòng điện rất nhỏ đi từ B2 sang B1 và dòng điện này được gọi là dòng định thiên. Do r1 cũng có giá trị nhỏ nên sụt áp trên nó gây nên bởi dòng định thiên có thể bỏ qua. Khi nguồn uE (được gọi nguồn điện áp phát) bằng không thì qua cực phát E có một dòng điện ngược có giá trị bằng IE0 rất nhỏ (lúc đó uEB1=uE-ur2=uE=0). Khi cho một giá trị uE>0 nhưng nhỏ thì dòng ngược cực phát giảm, tăng uE thì dòng ngược tiếp tục giảm và khi uE đạt giá trị UE0 thì iE=0. Nếu tiếp tục tăng uE thì xuất hiện dòng thuận qua cực phát, chừng nào mà uE còn nhỏ hơn UEmax (tức là uEB1 cũng nhỏ hơn UEmax vì ta đang bỏ qua sụt áp trên r1 đang rất nhỏ) thì dòng cực phát vẫn có giá trị rất nhỏ. Khi tăng uE đạt đến giá trị UEmax thì trong diode xẩy ra quá trình đột biến: dòng qua diode tăng còn điện áp giữa E và B1 giảm, diode chuyển sang làm việc trên đoạn đặc tính DT với điện áp uEB1 nhỏ còn dòng qua cực phát và cực gốc B1 lớn. Khi diode làm việc trên đoạn đặc tính này thì gần như toàn bộ điện áp uE đặt lên r1, lúc này ta nói diode đang ở trạng thái mở. Còn khi diode làm việc trên đoạn đặc tính A-B-C thì dòng qua cực phát và cực gốc B1 không đáng kể, ta có thể bỏ qua và xem như bằng không và trạng thái làm việc này được gọi là trạng thái khoá (chưa mở) của diode 2 cực gốc. Khi diode đang làm việc trên đoạn đặc tính DT, nếu ta giảm điện áp nguồn phát uE thì dòng iE và điện áp uEB1 cũng đều giảm, song điện giảm rất ít, khi điểm làm việc tiến gần đến điểm D thì dòng qua cực phát và cực gốc B1 giảm xuống rất nhỏ, lúc này sụt điện áp trên r1 gần bằng không và ta bỏ qua, vậy trong trường hợp đó thì uEB1 lại bằng uE. Khi giảm uE xuống bằng UEmin thì điểm làm việc của diode là điểm D, nếu tiếp tục giảm uE thì điểm làm việc của diode sẽ chuyển sang đoạn đặc tính AB và diode chuyển từ mở sang khoá.

+

N iE

P

uE

UBB

uEB1

-

iE

r2

r1

B2B2

E E

T

UEminDC 0

A B

uBB=0 (nÐt ®øt)

uBB>0 (nÐt liÒn)

uEB1

IEmin

B1B1 UEmaxUE0-IE0

a

b

c

Hình 2.66

**Kết luận:

− Khi diode 2 cực gốc đang khoá, muốn mở diode ta tăng điện áp uE đến giá trị UEmax.

− Khi diode 2 cực gốc đã mở, muốn chuyển diode sang trạng thái khoá thì ta giảm điện áp uE xuống UEmin . Theo các tài liệu thì:

UEmax=η.UBB+ΔU, với η là hệ số cấu tạo của diode, η=0,45÷0,9; ΔU là sụt điện áp trên một tiếp giáp P-N của bán dẫn si-lic cỡ 0,5÷0,7V.

UEmin cỡ 1,5 đến 2 V, nhưng khi xét nguyên lý hoạt động thì để cho đơn giản trong nhiều trường hợp ta giả thiết xem UEmin=0.

108

Khi không đặt điện áp thiên áp hoặc UBB=0 thì đặc tính V-A của diode 2 cực gốc giống như của diode thường (đường nét đứt trên hình 2.66c). Thông thường với các diode 2 cực gốc hiện nay thì nguồn UBB nằm trong khoảng từ 15V đến 30V . II.4.4.2 Mạch phát xung dùng diode 2 cực gốc Sơ đồ một mạch phát xung đơn giản dùng diode 2 cực gốc như hình2.67a và đồ thị minh hoạ sự làm việc của sơ đồ cho trên hình2.67b.

Ta có nguyên lý làm việc của sơ đồ như sau: Giả thiết tại t=0 bắt đầu đóng nguồn Ucc (trước đó thì uc=0) thì diode 2 cực gốc

được cấp điện áp định thiên, đồng thời tụ C cũng được nạp điện bởi Ucc qua điện trở R. Điện áp trên tụ C tăng dần theo biểu thức: uc= (1-e-t/R.C).Ucc, mà điện áp trên C đặt vào cực phát và gốc B1 qua R1, như vậy uc đóng vai trò nguồn uE, nên khi uc đạt đến giá trị UEmax thì D (diode 2 cực gốc) mở và tụ C sẽ phóng điện qua mạch cực phát E và cực gốc B1,qua R1. Do D đang mở nên điện áp uEB1 rất nhỏ, lúc đó trên R1 ta có một xung điện áp ra ura=uc-uEB1≈uc. Khi điện áp trên tụ giảm xuống bằng uEmin thì D khoá lại, mất điện áp ra (ura=0) và tụ C lại được nạp. Quá trình cứ diễn ra lặp đi lặp lại như vậy mang tính chất chu kỳ với thời gian một chu kỳ: Tck ≈R.C.ln[1/ (1-η)].

Để sơ đồ có thể tự do dao động thì phải đảm bảo điều kiện: Rmin < R < Rmax

Trong đó: Rmin= (Ucc-UEmin)/IEmin và Rmax= (Ucc-UEmax)/IE1, với IE1 là giá trị dòng

cực phát tương ứng với điểm C trên đặc tính V-A của diode, thường từ 0,5 đến 20 μA.

109

Nhận xét: Mạch phát xung này tương đối đơn giản, xung ra trong một số trường hợp đủ để mở các thyristor công suất nhỏ. Tuy vậy với sơ đồ như vừa xét thì chưa thể áp dụng để điều khiển bộ chỉnh lưu vì tần số xung phụ thuộc vào thông số các linh kiện trong sơ đồ, thời điểm xuất hiện xung đầu tiên phụ thuộc vào thời điểm đóng nguồn cung cấp cho mạch phát xung. Cũng từ nhận xét này ta thấy rằng nếu cung cấp cho sơ đồ bởi một nguồn điện áp dạng xung mà tốt nhất là xung nguồn hình chữ nhật với tần số bằng tần số nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu và thời điểm đầu của mỗi xung nguồn trùng hoặc lệch một góc xác định so với thời điểm mở tự nhiên của van được điều khiển từ mạch phát xung này thì thời điểm xuất hiện xung ra đầu tiên trong mỗi chu kỳ xung nguồn (cũng là chu kỳ nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu) cũng sẽ lệch một góc xác định so với thời điểm mở tự nhiên đối với van chỉnh lưu và có thể thay đổi được góc lệch này bằng cách thay đổi thông số sơ đồ hoặc dòng nạp tụ. Trong thực tế để tạo ra các xung nguồn dạng chữ nhật như đã nêu tương đối phức tạp, nhưng người ta có thể tạo ra các xung nguồn gần dạng hình thang một cách dễ dàng (sơ đồ sau), và dạng nguồn này cũng có thể sử dụng được.

t

t

+

Ucc

-

R2R

DucC

uraR1

uc

UEmax

u

t3t2' t2t1' 0 t1

Tck

0

UEmin

ura

t3t2' t2t1' t1

a b

Hình 2.67

II.4.4.3 Mạch phát xung điều khiển thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu dùng diode 2 cực gốc

R1D2u®k

R3** Tr - +

uDu2u1 D2

D4

uD2UJT R2

BA

*

D3C uc u®k

BAX

*Hình 2.68

Giới thiệu sơ đồ:

− BA là máy biến áp dùng để cấp nguồn cho mạch phát xung và đồng thời đảm nhận chức năng đồng bộ hoá (tức là tạo ra nguồn dạng xung với tần số bằng tần số làm việc của van chỉnh lưu và trùng hoặc lệch một góc xác định so với thời điểm mở tự nhiên đối với van). Điện áp u1 đặt vào cuộn sơ cấp BA là điện áp nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu, ở đây điện áp cuộn thứ cấp u2 sẽ trùng pha với u1 .

− D1 là diode chỉnh lưu để biến điện áp xoay chiều hình sin u2 thành điện áp một chiều dạng nửa sóng hình sin.

Hình 2.69

ωt

u

ωt0

U0 uD2

u

u®kT

ωt0

0

α

UEmax

UEmin

U0 uD2

uD1

uc

− Điện trở hạn chế R1 kết hợp với diode ổn áp D2 là một mạch ổn định điện áp. Do điện áp vào mạch ổn áp có dạng những nửa sóng hình sin phần dương nên: ở giai đoạn đầu và cuối của xung điện áp uD1 khi uD1<U0 (U0 là giá trị ổn áp của diode ổn áp D2) thì D2 chưa làm việc, bỏ qua sụt áp trên R1 gây nên bởi dòng cấp cho mạch phát xung trong các khoảng này có giá trị rất nhỏ thì điện áp đầu ra mạch ổn áp uD2=uD1. Trong những khoảng mà uD1≥U0 thì D2 làm việc và điện áp trên nó không đổi và bằng giá trị ổn định uD2=U0. Vậy dạng điện cung cấp cho mạch phát xung (=uD2) là dạng xung hình thang và nếu giả thiết là thời điểm tự nhiên đối với van được điều khiển bởi mạch phát xung này là các thời điểm bằng không và bắt đầu chuyển sang dương của u2 thì thời điểm đầu mỗi xung nguồn trùng với các thời điểm này

− Để nạp điện cho tụ C ta thay biến trở R trong sơ đồ trước bằng mạch tạo dòng nạp ổn định và điều khiển được bởi điện áp điều khiển uđk, mạch này gồm: transitor Tr, biến trở hiệu chỉnh R2, nguồn điện áp điều khiển uđk .

− Mạch để lấy xung ra ta thay bằng máy biến áp xung BAX. Diode 2 cực gốc trên sơ đồ ký hiệu là UJT. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ như sau: Tại ωt=0 thì u2=0, bắt đầu chuyển sang dương nên D1 mở và có điện áp cung cấp cho mạch phát xung. Tụ C bắt đầu được nạp bởi dòng điện có giá trị ổn định nên điện áp trên tụ tăng theo qui luật

110

tuyến tính. Khi uc=UEmax thì UJT mở, tụ C phóng điện qua UJT và cuộn sơ cấp BAX làm xuất hiện xung bên thứ cấp BAX và nó được đưa qua D4 đến điện cực điều khiển của thyristor. Khi uc giảm xuống bằng UEmin thì UJT khoá lại, tụ C ngừng phóng điện và lại được nạp, còn diode D3 dùng để khử xung điện áp âm khi UJT khoá. Tuỳ thuộc giá trị dòng nạp tụ mà trong thời gian một xung điện áp nguồn (một nửa chu kỳ điện áp xoay chiều) có thể xuất hiện một hoặc một số xung đầu ra. Góc điều khiển được xác định bởi thời điểm xuất hiện xung điều khiển đầu tiên (như hình2.69).

Với mạch phát xung trên đây thì phạm vi thay đổi của góc điều khiển <1800 vì xung ra chỉ có đủ chất lượng khi nó nằm trong vùng điện áp uD2 ≥U0 . II.4.4.4 Mạch điện thay thế diode 2 cực gốc bằng transitor Trong một số trường hợp để đảm bảo khắc phục sự cố, đưa bộ chỉnh lưu vào làm việc. Lúc đó nếu mạch phát xung hỏng UJT không có linh kiện thay thế ta có thể dùng hai transitor khác loại đấu theo sơ đồ hình 2.70.

+

R R2Tr1

Ucc

R3Tr2

C -

R1 ura

Hình 2.70

Lúc đó cần phải tính chọn các điện trở để đảm bảo được sự tương đương ở mức nhất định.

Trong sơ đồ này Tr1 là loại transitor P-N-P (thuận), còn Tr2 là transitor loại N-P-N (ngược). II.4.5 Mạch điều khiển BBĐ đảo chiều II.4.5.1 Mạch điều khiển BBĐ đảo chiều điều khiển phối hợp tuyến tính

111

Để điều khiển các BBĐ đảo chiều theo phương pháp điều khiển này người ta chủ yếu chỉ sử dụng nguyên tắc khống chế pha đứng. Mạch điều khiển BBĐ này về cơ bản có các khối hoàn toàn tương tự như mạch điều khiển BBĐ không đảo chiều đã nghiên cứu. Điểm khác duy nhất của nó cũng là điểm đặc biệt của hệ thống điều khiển này là mạch phải phát xung điều cho cả hai sơ đồ chỉnh lưu và đảm bảo sao cho tổng góc điều khiển hai sơ đồ chỉnh lưu luôn bằng 180

urc

uk1

uC2

ub3BA§a

*

uA *

u®ba1u®ba

R4

R19R6 U0

U0

R7

R10

R11

R8

R12R20R13

D1

R9

R14

R15D2

R16

R21R17

R18

R5

R3

R2

u®k

ura1u®kth

ura2u®kng

C1

C2

+Ucc

R1

Tr4

Tr3

Tr1 Tr2

-Ucc

-

+ IC2

Kªnh ph¸t xung cho T4 vµ

-

+

IC3

-

+

IC1

Hình 2.71

0. Các phần mạch khác của hệ thống điều khiển BBĐ đảo chiều điều khiển phối hợp tuyến tính cũng tương tự như

112

của hệ thống điều khiển BBĐ không đảo chiều. Để đảm bảo cho α1+ α2=1800 thì người thực hiện ngay trong hai khối đầu của hệ thống điều khiển và cũng có thể thực hiện bởi việc gia công điện áp điều khiển uđk. Sau đây ta sẽ nghiên cứu một ví dụ về kênh phát xung điều khiển cho hai van T1 và T7 trong BBĐ đảo chiều theo sơ đồ hình 2.40.

Sơ đồ mạch điều khiển biểu diễn trên hình 2.71, ở đây ta chỉ biểu diễn phần đồng bộ hoá-tạo điện áp răng cưa và khối so sánh, còn các phần mạch còn lại thì có thể sử dụng các mạch tương tự như mạch điều khiển BBĐ không đảo chiều. Trong sơ đồ này ta sử dụng mạch dịch pha R-C bằng R1, R2, C1 để dịch điện áp lấy bên cuộn dây thứ cấp máy biến áp đồng bộ BAĐa đi một góc 300 và như vậy điện áp uđba1 sẽ có thời điểm bằng không và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương trùng với thời điểm mở tự nhiên đối với T1 và T7 trong sơ đồ mạch động lực (hình 2.40). Nguyên lý hoạt động của sơ đồ này như sau:

Ta giả thiếy là tại ωt=0 thì uđba1=0 và bắt đầu chuyển sang dương, chỉ sau thời điểm này một khoảng thời gian rất ngắn thì uđba1 đạt giá trị bằng sụt áp trên tiếp giáp gốc-phát khi mở của transitor Tr1 và lúc đó Tr1 sẽ mở bão hoà. Tr1 mở thì tr2 khoá nên Tr3 cũng khoá và tụ C2 sẽ được nạp bởi dòng cực góp của Tr4. Do cách mắc Tr4 như sơ đồ ta có dòng cực góp Tr4 không đổi (ik4≈Ucc/R6=const), vì vậy điện áp trên C2 tăng theo qui luật tuyến tính. Đến ωt≈π thì uđba1 không đủ làm mở Tr1 nên Tr1 khóa lại, dẫn đến Tr2 mở làm cho Tr3 mở và tụ C2 sẽ phóng điện qua Tr3 đến điện áp bằng không và sẽ duy trì giá trị bằng không cho đến đầu nửa chu kỳ dương tiếp theo của uđba1 thì Tr1 lại mở và tụ lại được nạp. Trong sơ đồ này thường thì người ta hiệu chỉnh giá trị R6 để cho biên độ điện áp trên C2 bằng Ucc. Điện áp răng cưa là điện áp giữa cực góp Tr4 so với điểm chung (mát) và nó bằng: urc=-Ucc+uC2. Điện áp răng cưa này sử dụng chung cho cả hai kênh phát xung cho T1 và T7 trong BBĐ đảo chiều, nó được đưa vào cả hai mạch so sánh bằng IC2 (cho T1) và IC3 (cho T2). Trên đầu vào các mạch so sánh còn được đặt một điện áp ổn định U0 lấy từ mạch phân áp bằng R19 và các điện áp điều khiển, giá trị U0 được điều chỉnh bằng một nửa biên độ điện áp răng cưa để cho đường cong điện áp tổng hợp trên đầu vào mạch so sánh khi điện áp điều khiển bằng không cắt trục hoành tại ωt=π/2, 5π/2,.... Điện áp điều khiển các kênh phát xung cho bộ chỉnh lưu thuận được lấy bằng điện áp điều khiển chung (uđkth=uđk), còn điện áp điều khiển các kênh phát xung cho bộ chỉnh lưu ngược được lấy từ đầu ra bộ khuếch đại đảo với hệ số khuếch đại bằng 1, mà tín hiệu vào là điện áp điều khiển chung, vậy uđkng=-uđk. Sự làm việc của mạch so sánh được thể hiện trên đồ thị hình 1-70. Từ đồ thị ta thấy rằng:

− Nếu uđk>0 (tức là -uđkth=-uđk<0) thì α1=π/2-Δα <π/2, còn α2=π/2+Δα>π/2 − Nếu uđk<0 (tức là -uđkth=-uđk>0) thì α1=π/2+Δα >π/2, còn α2=π/2-Δα<π/2

u

113

Hình 2.72

®ba1

ωt

2π π

Δube

Δube

ik

u

Nhưng ta luôn luôn có α1+α2=π, có nghĩa rằng tín hiệu điều khiển van của hai bộ chỉnh lưu thuận và ngược tuân theo đúng qui luật của phương pháp điều khiển phối hợp tuyến tính BBĐ đảo chiều. Đối với các cặp van khác ta cũng có các mạch tương tự, chúng khác nhau chủ là pha của điện áp đồng bộ.

b3

π/2uC2

UC2max=Ucc

-

ω2π π

ωt

ω2π π

ν3ν1

ν2

u

ura

ura2

ω2π ΔΔα1

α2

ω2π

0

0

ω

0

0

0

II.4.5.2 Mạch điều khiển BBĐ đảo chiều ứng dụng phương pháp điều khiển riêng

0

Khi điều khiển các BBĐ đảo chiều theo phương pháp điều khiển riêng thì mạch phát xung cho các bộ chỉnh lưu hoàn toàn tương tự như mạch phát xung điều khiển BBĐ không đảo chiều. Tuy nhiên để đảm bảo sự đảo chiều diễn ra nhanh nhất và an toàn thì người ta thường sử sử dụng một mạch lôgic để thực hiện khống chế quá trình đảo chiều. Trong phần này ta chỉ giới thiệu về mạch lôgic khống chế quá trình đảo chiều. Mạch lôgic này hoạt động trên nguyên tắc:

ur

-u®kng

ωu +Urc 0

-

Khi một bộ chỉnh lưu (ví dụ bộ thuận ) đang làm việc, cần đảo chiều dòng tải ta phải cắt bộ chỉnh lưu đang làm việc (thuận ) và phát xung cho bộ chỉnh lưu kia (bộ ngược) để đưa nó vào làm việc. Để thực hiện quá trình đó ta chỉ cần phát lệnh đảo chiều (ví dụ khi cho bộ thuận làm việc ta đặt điện áp chủ đạo dương, khi cần đảo chiều dòng tải ta chuyển điện áp chủ đạo sang âm và ngược lại), mạch lôgic sẽ tự động thực hiện các công việc cần thiết để đảm bảo quá trình diễn ra nhanh nhất nhưng đảm bảo an toàn. Để đảm bảo được điều đó thì mạch lôgic phải thực hiện một số công việc cơ bản như sau: Khi nhận được lệnh đảo chiều thì đầu tiên mạch lôgíc phải phát ra tín hiệu cắt xung điều khiển của bộ đang làm việc để chuyển nó sang chế độ nghỉ, dựa vào tín hiệu kiểm tra trạng thái dẫn dòng của các van để nhận biết được thời điểm tất cả các van ngừng dẫn dòng và mạch sẽ tự động duy trì một khoảng thời gian ngừng dòng (thời gian trễ) để đảm bảo các van đã phục hồi tính chất điều khiển rồi mới phát tín hiệu khống chế cho phép mạch phát xung cho bộ chỉnh lưu khác làm việc và phải duy trì chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu đó cho đến khi có lệnh đảo chiều hoặc dừng. Mạch điện để kiểm tra trạng thái dẫn của cac van thường sử dụng các dụng cụ quang-bán dẫn vì nó đảm bảo sự cách ly tốt về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển bộ chỉnh lưu, các dụng cụ thường sử dụng là photo-transitor hoặc TO (photo-triac). Một số sơ đồ chuyển mạch lôgíc được giới thiệu trong phần phụ lục.

II.4.5.3 Hàm truyền bộ chỉnh lưu Khi nghiên cứu sự làm việc của sơ đồ chỉnh lưu người ta thấy rằng: Khi ta tác động đến tín hiệu điều khiển để điều chỉnh điện áp đầu ra thì thông thường tín hiệu ra thay đổi chậm hơn tín hiệu vào một thời gian τ nào đó (xem hình 2.73).

Từ đồ thị ta thấy rõ rằng: Sau khi ta thay đổi giá trị tín hiệu điều khiển ở đầu vào khâu so sánh (giả thiết là nghiên cứu với trường hợp điều khiển bộ chỉnh lưu theo nguyên tắc pha đứng) được một khoảng thời gian bằng τ hay qui ra góc độ điện bằng ωτ thì hệ thống mới bắt đầu phát xung với giá trị góc điều khiển mới (α2). Điều này có nghĩa rằng tín hiệu đầu ra (điện áp chỉnh lưu) thay đổi chậm hơn tín hiệu vào (điện áp điều khiển mạch phát xung) một thời gian bằng τ. Vậy theo lý thuyết điều khiển tự động ta có hàm truyền bộ chỉnh lưu có điều khiển WT (p) là:

WT (p)=KT.e-τ.P ≈KT/ (1+τ.p) .

Hình 2.73

Thêi ®iÓm thay ®æi gi¸ trÞ u®ku urc

ωt

0

u®kU®k1

U®k2

α1 α2

ωτ

Thêi ®iÓm gãc ®iÒu khiÓn α thay ®æi

Giá trị của τ phụ thuộc vào giá trị tính hiệu điều khiển trước khi thay đổi (Uđk1), hướng thay đổi (tăng hay giảm) và giá trị tín hiệu điều khiển mới (Uđk2). Giá trị của τ có thể tiến đến 0 và cũng có thể tiến đến T/q (T là thời gian một chu kỳ điện áp nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu). Trong tính toán người ta thường chọn giá trị của τ bằng trung bình cộng giữa giá trị max và giá trị min, vậy thường lấy τ=T/ (2.q). KT là hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu, nó là một đại lượng phi tuyến. Trong tính toán gần đúng ta xem KT là hằng số và tìm bằng cách tuyến tính hoá đặc tuyến Ud=f (uđk). II.5 Tính chất điều khiển của bộ chỉnh lưu (tham Khảo tài liệu) II.6 Bảo vệ bộ chỉnh lưu II.6.1 Khái niệm chung Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển cũng là một thiết bị điện cho nên khi sơ đồ hoạt động cũng có thể phát sinh các trường hợp sự cố và đòi hỏi phải có các trang thiết bị bảo vệ. Ngoài ra do những đặc trưng riêng của các phần tử sử dụng trong bộ chỉnh lưu, nhất là các van chỉnh lưu có điều khiển mà cần thiết phải trang bị thêm một số loại bảo riêng cho bộ chỉnh lưu. Khi sơ đồ chỉnh lưu làm việc, các tác nhân có thể gây hỏng van và ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của sơ đồ là:

− Nhiệt độ các van quá giá trị cho phép. − Quá giá trị dòng điện qua van do quá tải hay ngắn mạch hoặc quá tốc độ tăng

của dòng qua van. − Quá điện áp trên van về giá trị hoặc tốc độ tăng.

Để cho các sơ đồ chỉnh lưu làm việc an toàn và đảm bảo tuổi thọ các van ta phải trang bị các thiết bị bảo vệ cho bộ biến đổi . II.6.2 Bảo vệ quá nhiệt và quá dòng II.6.2.1 Bảo vệ quá nhiệt

Khi các van chỉnh lưu làm việc thì thực tế là trên van có một sụt điện áp nên sẽ có một tổn thất công suất. Toàn bộ tổn thất công suất trên van được biến thành nhiệt và nung nóng cấu trúc bán dẫn của van làm tăng nhiệt độ của nó. Để cho các van không bị phát nóng quá nhiệt độ cho phép ta sử dụng các biện pháp truyền nhiệt sinh

114

115

ra trong cấu trúc của van khi làm việc ra môi trường xung quanh (thường gọi là tản nhiệt hay làm mát) bằng một số biện pháp sau:

− Dùng cánh tản nhiệt bằng nhôm hoặc bằng đồng (thường dùng nhôm vì rẻ và nhẹ) đối với các trường hợp dòng nhỏ.

− Dùng cánh tản nhiệt bằng nhôm hoặc đồng kết hợp quạt gió làm mát cho các trường hợp dòng nhỏ và trung bình.

− Dùng cánh tản nhiệt bằng nhôm hoặc đồng kết hợp bơm chất lỏng làm mát cho các trường hợp dòng trung bình và lớn, chất lỏng được sử dụng có thể là nước cất khi điện áp làm việc thấp hoặc là dầu cách điện khi điện áp làm việc cao. II.6.2.2 Bảo vệ quá dòng a/- Bảo vệ quá tải Để bảo vệ quá tải cho bộ chỉnh lưu ta cũng sử dụng rơ le nhiệt hoặc áp-tô-mát có cơ cấu cắt theo nhiệt như các thiết bị điện khác. b/- Bảo vệ ngắn mạch Để bảo vệ ngắn mạch cho bộ chỉnh lưu ta sử dụng cầu chì tác động nhanh (cắt nhanh) hoặc áp-tô-mát có cơ cấu cắt nhanh (điện từ) . c/- Bảo vệ quá tốc độ tăng của dòng qua van diT/dt Trong trường hợp xẩy ra quá diT/dt đối với van thì ta nối tiếp với các van các điện cảm thường có giá trị nhỏ. Thực tế thì các điện cảm này thường được mắc nối tiếp trong mạch nguồn xoay chiều. Khi sơ đồ chỉnh lưu có sử dụng biến áp cung cấp thì chỉ cần chọn máy biến áp có điện áp ngắn mạch phần trăm lớn (từ 7% đến 10%) là đủ để bảo vệ quá diT/dt cho các van. II.6.3 Bảo vệ quá điện áp cho các van bộ biến đổi II.6.3.1 Các nguyên nhân gây nên quá áp cho các van a/- Các quá điện áp phát sinh từ bên ngoài bộ biến đổi (BBĐ) Đây là các quá điện áp phát sinh do tác động của các thiết bị đóng cắt và bảo vệ lưới điện và các hiện tượng môi trường (sét). Các nghiên cứu đã cho thấy rằng trong các lưới điện 220-380V có thể phát sinh quá áp đến 4÷5 lần điện áp lưới, còn ở các lưới điện có điện áp cao hơn có thể xuất hiện quá áp đến 3 lần điện áp lưới. b/- Các quá điện áp bên trong có đặc trưng không lặp lại Đây là các quá điện áp xuất hiện liên quan đến sự làm việc của sơ đồ BBĐ nhưng không lặp đi lặp lại. Các quá điện áp này thường do một số nguyên nhân sau:

− Do đóng máy biến áp cung cấp cho bộ biến đổi vào lưới điện xoay chiều trong trường hợp điện áp sơ cấp lớn hơn nhiều so với điện áp ra bên thứ cấp.

− Khi nối BBĐ với nguồn xoay chiều (do tốc độ tăng của điện áp và các dao động ký sinh gây nên).

− Cắt máy biến áp cung cấp cho BBĐ ở chế độ không tải hoặc tải nhỏ (do sự biến đổi đột ngột của từ trường khi mất dòng từ hoá đột ngột).

− Tác động của các thiết bị bảo vệ dòng khi quá tải hoặc ngắn mạch. c/- Các quá điện áp bên trong có đặc trưng lặp lại Đây cũng là các quá điện áp xuất hiện liên quan đến sự làm việc của BBĐ nhưng

lặp đi lặp lại mang tính chu kỳ, nó thường do:

− Quá áp do cộng hưởng: Khi trong sơ đồ BBĐ có một mạch vòng nào đó có tần số cộng hưởng riêng trùng với tần số một sóng hài nào đó của dòng tải hoặc nguồn sẽ xuất hiện hiện tượng cộng hưởng và gây quá áp cho các van.

− Quá áp do quá trình chuyển mạch dòng điện các van: Quá điện áp dạng này có thể xuất hiện cả khi mở và khoá van và mang tính chu kỳ. Đây là dạng quá áp phát sinh trong tất cả mọi sơ đồ và mọi chế độ làm việc và có thể gây quá áp cả về giá trị cũng như tốc độ thay đổi duT/dt. II.6.3.2 Tác động của quá điện áp đối với các van chỉnh lưu Đối với các van bán dẫn, đặc biệt là các van có điều khiển (thyristor) thì sự vượt quá giá trị cho phép cả về trị số và tốc độ thay đổi duT/dt đều có thể gây nên hỏng van, ngay cả khi thời gian quá áp là rất ngắn (cỡ μs). Do vậy trong sơ đồ BBĐ buộc phải có các thiết bị bảo vệ để tránh cho các van không bị quá điện áp. II.6.3.3 Các phương pháp mắc thiết bị bảo vệ quá áp và tính toán

K

A

T1 T3 T5

ud

T2

T*

T6T4

116

K2

K3 K1R

E C

2L

Hình 2.75

Trên hình 2.74 biểu diễn mạch động lực của một sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha và các phương pháp nối các thiết bị bảo vệ quá áp. Để bảo vệ quá điện áp cho các van trong sơ đồ BBĐ người ta sử dụng các mạch R-C mắc theo một số sơ đồ khác nhau. Để tính toán giá trị của R và C người sử dụng sơ đồ thay thế hình 2.75. Các giá trị R và C tính được tương ứng với trường hợp mạch bảo vệ R-C mắc theo sơ đồ hình2.74e (mắc song song với mỗi van). Khi sử dụng sơ đồ khác thì ta tính toán lại các giá trị R1,C1 và R2, C2 theo các công thức sau:

R1=R/2; C1=2C R2=3R/2; C2=2C/3

Trong sơ đồ thay thế hình 2.75 thì E là nguồn s.đ.đ sử dụng để tính toán và trong một số trường hợp thì E là quá áp phát sinh bên ngoài truyền vào BBĐ; L là tổng điện cảm trong mạch vòng gây nên quá áp, L thay đổi tuỳ từng trường hợp quá áp; các công tắc K1, K2, K3 là các

id

Rd

Ld

Ed

a

a a

a

b

b b

b

c

c c

c

**

**

*

BAMC1 MC2A

*

B

C

R1R1

C1 C1 R2

C2R C

a

e

b c d

Hình 2.74

khoá để đóng hoặc cắt phục vụ cho tính toán trong từng trường hợp cụ thể, ví dụ để tính toán với trường hợp quá áp do thiết bị bảo vệ ngắn mạch tác động thì ta thực hiện cho K2 kín, K3 hở, đóng K1 để dòng trong mạch (qua K1) tăng lên, khi dòng đạt giá trị tác động của thiết bị bảo vệ dòng ngắn mạch thì đồng thời cắt K1, K2 và đóng K3 và bắt đầu tính toán với mốc thời gian t=0 từ thời điểm này. Điện áp giữa 2 điểm 1 và 2 là điện áp đặt lên van.

Các giá trị R và C có thể tìm trong các tài liệu tham khảo khác nhau. Trong một số trường hợp người ta có thể áp dụng các công thức kinh nghiệm, tuy kết quả không chính xác lắm nhưng cũng có thể chấp nhận được mà quá trình tính toán lại đơn giản. **Chú ý:

117

-Trừ hai trường hợp quá áp do nối BBĐ với lưới dòng xoay chiều và do quá trình chuyển mạch thì tất cả các quá điện áp do các nguyên nhân khác có thể sử dụng một trong 3 sơ đồ mắc mạch bảo vệ là hình 2.74b, d hoặc e.

1

− Quá áp do nối BBĐ với lưới dòng xoay chiều thì phải sử dụng các mạch R-C mắc theo sơ đồ hình 2.74c (mắc hình sao có trung tính nối đất).

− Quá áp do quá trình chuyển mạch thì phải sử dụng các mạch R-C mắc song song với mỗi van (hình2.74e). Các thông số R và C với trường hợp này đã được tối ưu hoá, bằng máy tính điện tử người ta đã lập ra một số quan hệ cho phép xác định giá trị tối ưu của R và C (hình2.76).

Ua/Up 10 8

H 6

4

2

1 08

Ta có các quan hệ: Ua/Up; G=b/ω0; H=ω0Uk phụ thuộc vào F,

Trong đó F= (I. L/C )/Uk; b=R/ (2L) biểu diễn bởi các đường cong hình 2.76. Trong đó Uk < Up là điện áp chuyển mạch, còn I là giá trị dòng qua tải tại thời điểm diễn ra chuyển mạch, Ua biên độ quá áp, Up biên độ điện áp nguồn.

Từ giá trị quá áp cho phép lặp lại Un ta chọn Ua/Up,theo hình 1-69 ta tìm được F và từ giá trị của F tìm được G,H .

Cuối cùng xác định được:

C=L (I/UpF)2; R=2G L/C ; ω0=1/ LC ; duT/dt = H.Up. ω0

0,

0,

6

G 4

F

0,2

0,10,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 2 4 6 8 10

Hình 2.76