Giáo trình môn học Điện tử công suất dành cho sinh viên chuyên ngành Điện - Điện tử

Giáo trình môn học Điện tử công suất dành cho sinh viên chuyên ngành Điện - Điện tử của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông với những kiến thức và thông tin bổ ích giúp sinh viên tham khảo, ôn luyện và phục vụ nhu cầu học tập của mình cụ thể là có định hướng ôn tập, nắm vững kiến thức môn học và làm bài tốt trong những bài kiểm tra, bài tiểu luận, bài tập kết thúc học phần, từ đó học tập tốt và có kết quả cao cũng như có thể vận dụng tốt những kiến thức mình đã học vào thực tiễn cuộc sống. Mời bạn đọc đón xem!

Thông tin:
163 trang 10 tháng trước
Tác giả:
T
Tiến Dũng
Đang cập nhật

Bình luận

Vui lòng đăng nhập hoặc đăng ký để gửi bình luận.

Giáo trình môn học Điện tử công suất dành cho sinh viên chuyên ngành Điện - Điện tử

Giáo trình môn học Điện tử công suất dành cho sinh viên chuyên ngành Điện - Điện tử của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông với những kiến thức và thông tin bổ ích giúp sinh viên tham khảo, ôn luyện và phục vụ nhu cầu học tập của mình cụ thể là có định hướng ôn tập, nắm vững kiến thức môn học và làm bài tốt trong những bài kiểm tra, bài tiểu luận, bài tập kết thúc học phần, từ đó học tập tốt và có kết quả cao cũng như có thể vận dụng tốt những kiến thức mình đã học vào thực tiễn cuộc sống. Mời bạn đọc đón xem!

77 39 lượt tải Tải xuống

Môn: Điện tử Công suất (Điện - Điện tử)

Trường: Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

Thông tin:

163 trang 10 tháng trước

Tác giả:

Profile Tiến Dũng
lOMoARcPSD|37054152
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
----------
----------
ThS. Nguyễn Trung Hiếu
ThS. Nguyễn Đức Việt
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
(
Dành cho sinh viên chuyên ngành Điện-Điện tử
)
lOMoARcPSD|37054152
LỜI NÓI ĐẦU
Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng các linh kiện bán
dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch vào quá trình biến đổi điện năng. Hiểu về điện
tử công suất sẽ hỗ trợ cho chúng ta khả năng phân tích, thiết kế các mạch điện-điện tử với độ
chính xác cao, hoạt động ổn định.
Cuốn bài giảng Điện tử công suất này được biên soạn phục vụ cho chương trình đào tạo
hệ đại học chuyên ngành Điện-Điện tử của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.
Tài liệu này giúp cho sinh viên các kiến thức cơ bản về điện tử công suất, các linh kiện
điện tử, các mạch biến đổi điện-điện tử từ đó làm tiền đề cho sinh viên hiểu, biết phân tích và
thiết kế các mạch điện tử công suất.
Nội dung bài giảng gồm 7 chương:
Chương 1: Các khái niệm cơ bản
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn
Chương 3: Chỉnh lưu và lọc điện
Chương 4: Bộ biến đổi điện áp một chiều
Chương 5: Nghịch lưu và biến tần
Chương 6: Ổn áp nguồn
Chương 7: Các ứng dụng của các bộ biến đổi công suất
Trong đó ThS. Nguyễn Trung Hiếu biên soạn các chương 1, 2, 3, 4, 6 và ThS. Nguyễn
Đức Việt biên soạn các chương 5, 7.
Do hạn chế về mặt thời gian cũng như kiến thức nên không thể tránh khỏi những thiếu
sót trong lần biên soạn đầu tiên này, chúng tôi xin chân thành cảm ơn và mong đợi ý kiến đóng
góp của bạn đọc gửi về theo địa chỉ: Bộ môn Kỹ thuật điện tử, Khoa Kỹ thuật điện tử 1, Học
viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................................i
LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................................ii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.........................................................................................................vi
CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN................................................................................1
1.1. TRỊ TRUNG BÌNH CỦA DÒNG ĐIỆN, ĐIỆN ÁP, CÔNG SUẤT...............................1
1.2. TRỊ HIỆU DỤNG CỦA DÒNG ĐIỆN, ĐIỆN ÁP..........................................................2
1.3. HỆ SỐ CÔNG SUẤT......................................................................................................4
1.3.1. Một số khái niệm......................................................................................................4
1.3.2. Công suất tín hiệu.....................................................................................................4
1.3.2. Cách nâng cao hệ số công suất.................................................................................4
lOMoARcPSD|37054152
1.4. ĐỘ MÉO DẠNG TÍN HIỆU...........................................................................................5
1.5. HIỆN TƯỢNG NHIỄU VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC...............................................7
BÀI TẬP.................................................................................................................................7
CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN..............................................................................8
2.1. ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT.......................8
2.2. DIODE.............................................................................................................................8
2.3. TRANSISTOR.................................................................................................................9
2.3.1. BJT công suất............................................................................................................9
2.3.2. MOSFET công suất.................................................................................................13
2.4. THYRISTOR.................................................................................................................15
2.5. TRIAC............................................................................................................................21
2.6. GTO, IGCT, MCT, IGBT...............................................................................................22
2.6.1. GTO (Gate Turn Off Thyristor)..............................................................................22
2.6.2. IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor).....................................................24
2.6.3. MCT (Mos Controlled Thyristor)...........................................................................26
2.6.4. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)..............................................................27
2.6.5. Một số linh kiện khác..............................................................................................29
2.7. SO SÁNH KHẢ NĂNG HỌAT ĐỘNG CỦA CÁC LINH KIỆN.................................30
2.8. VẤN ĐỀ LÀM MÁT VAN BÁN DẪN.........................................................................30
CHƯƠNG 3: CHỈNH LƯU VÀ LỌC ĐIỆN............................................................................31
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG...................................................................................................31
3.1.1. Khái niệm................................................................................................................31
3.1.2. Cách mắc các van bán dẫn......................................................................................32
3.2. CÁC DẠNG MẠCH CHỈNH LƯU CƠ BẢN...............................................................34
3.2.1. Chỉnh lưu một pha không điều khiển......................................................................34
3.2.2. Chỉnh lưu ba pha không điều khiển........................................................................42
3.2.3. Chỉnh lưu một pha có điều khiển............................................................................46
3.2.4. Chỉnh lưu ba pha có điều khiển..............................................................................50
3.3. CHỈNH LƯU BỘI ÁP...................................................................................................57
3.4.1. Chỉnh lưu bội áp nửa sóng......................................................................................57
3.4.2. Sơ đồ chỉnh lưu bội áp một pha toàn sóng..............................................................58
3.4. GHÉP NỐI TIẾP VÀ SONG SONG CÁC BỘ CHỈNH LƯU.......................................59
3.4.1. Bộ chỉnh lưu cầu 2 pha nối tiếp..............................................................................59
3.4.2. Bộ chỉnh lưu cầu 2 pha song song..........................................................................60
3.5. BỘ LỌC.........................................................................................................................61
3.5.1. Bộ lọc san bằng.......................................................................................................61
3.5.2. Các loại bộ lọc san bằng.........................................................................................62
CÂU HỎI ÔN TẬP...............................................................................................................64
CHƯƠNG 4: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU.............................................................67
4.1. GIỚI THIỆU CHUNG...................................................................................................67
4.2. BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LOẠI FORWARD....................................................67
4.2.1. Bộ biến đổi làm việc một phần tư mặt phẳng tải....................................................68
4.2.2. Bộ biến đổi làm việc hai phần tư mặt phẳng tải I và II...........................................72
4.2.3. Bộ biến đổi làm việc bốn phần tư mặt phẳng tải....................................................74
4.2.4. Bộ biến đổi làm việc tại hai phần tư I và IV...........................................................76
lOMoARcPSD|37054152
4.2.5. Sóng hài áp dòng trên tải RLE................................................................................77
4.2.6. Ghép song song các bộ biến đổi.............................................................................78
4.3. BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LOẠI FLYBACK.....................................................79
4.4. MẠCH TẮT SCR..........................................................................................................80
4.4.1. Ví dụ mạch tắt SCR................................................................................................81
4.4.2. Sơ đồ chuyển mạch cứng các SCR.........................................................................81
4.4.3. Sơ đồ chuyển mạch mềm các SCR.........................................................................84
4.5. ỨNG DỤNG..................................................................................................................87
4.5.1. Nguyên lý điều khiển bộ biến đổi...........................................................................87
4.5.2. Điều khiển động cơ một chiều................................................................................88
4.5.3. Các bộ nguồn một chiều - cấp điện hay ổn áp xung...............................................89
4.5.4. Nghịch lưu..............................................................................................................90
TÓM TẮT.............................................................................................................................90
CHƯƠNG 5: NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN.........................................................................91
5.1. GIỚI THIỆU CHUNG...................................................................................................91
5.1. PHÂN LOẠI NGHỊCH LƯU........................................................................................91
5.1.1. Nghịch lưu song song và nối tiếp...........................................................................91
5.1.2. Nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp......................................................................93
5.3. NGHỊCH LƯU NGUỒN DÒNG...................................................................................93
5.3.1. Sơ đồ một pha.........................................................................................................93
5.3.2. Sơ đồ 3 pha.............................................................................................................97
5.4. NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP.........................................................................................98
5.4.1. Sơ đồ một pha.........................................................................................................98
5.4.2. Sơ đồ ba pha............................................................................................................99
5.4.3. Nghịch lưu đa bậc.................................................................................................101
5.4.4. Tính toán gần đúng nghịch lưu nguồn áp.............................................................104
5.5. ĐIỀU KHIỂN ÁP RA VÀ HẠN CHẾ SÓNG HÀI.....................................................104
5.5.1. Phân tích sóng hài điện áp....................................................................................104
5.5.2. Điều khiển áp ra....................................................................................................105
5.5.3. Hạn chế sóng hài đầu ra........................................................................................108
5.6. MẠCH ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU........................................................................108
5.6.1. Mạch tạo logic ba pha...........................................................................................108
5.6.2. Mạch tạo áp chuẩn hình sin dùng ROM và DAC (biến đổi số tương tự).............109
5.6.3. Mạch điều khiển nghịch lưu dung chương trình ROM.........................................110
6.7. BIẾN TẦN...................................................................................................................111
5.8. ỨNG DỤNG................................................................................................................113
5.8.1. Các bộ nguồn tần số cao.......................................................................................113
5.8.2. Bộ nguồn xung sử dụng nghịch lưu......................................................................114
5.8.3. Bộ nguồn xoay chiều không gián đoạn UPS (bộ lưu điện)...................................114
CÂU HỎI ÔN TẬP.............................................................................................................115
CHƯƠNG 6: ỔN ÁP NGUỒN...............................................................................................116
6.1. GIỚI THIỆU CHUNG.................................................................................................116
6.2. CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG................................................................................116
6.3. ỔN ÁP NGUỒN SỬ DỤNG PHẦN TỬ HIỆU CHỈNH.............................................117
6.3.1. Sơ đồ khối chung..................................................................................................117
6.3..2. Bộ ổn định điện áp với hiệu chỉnh nối tiếp, không khuếch đại so sánh...............118
lOMoARcPSD|37054152
6.3.3. Bộ ổn định điện áp với hiệu chỉnh nối tiếp có khuếch đại so sánh.......................119
6.3.4. Bộ ổn áp với hiệu chỉnh nối tiếp, dùng IC KĐTT làm bộ khuếch đại so sánh.....120
6.3.5. Các mạch bảo vệ hạn chế dòng, áp.......................................................................122
6.4. BỘ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP DÙNG VI MẠCH TÍCH HỢP 3
CHÂN.............................124
6.4.1. Giới thiệu chung về vi mạch tích hợp 3
chân.......................................................124
6.4.2. Các mạch ổn định điện áp dùng vi mạch tích hợp 3
chân....................................127
6.4.3. Các mạch nâng cao điện áp ra và dòng
ra.............................................................128
6.5. NGUỒN ỔN ÁP ĐỐI
XỨNG......................................................................................129
6.6. MẠCH ỔN
DÒNG......................................................................................................130
6.6.1. Mạch ổn dòng dùng
transistor...............................................................................130
6.6.2. Mạch ổn dòng dùng IC ổn định 3
chân.................................................................131
6.7. NGUỒN ỔN ÁP MỘT CHIỀU KIỂU CHUYỂN
MẠCH..........................................132
6.7.1. Khái niệm về nguồn ổn áp kiểu chuyển
mạch......................................................132
6.7.2. Sơ đồ khối tổng quát của bộ nguồn ổn áp kiểu chuyển mạch theo
nguyên lý “điều
chế độ rộng xung”...........................................................................................................135
6.7.3. Một số mạch trong bộ nguồn ổn áp kiểu chuyển
mạch........................................136
CÂU HỎI ÔN TẬP.............................................................................................................149
CHƯƠNG 7: CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT.......................155
7.1. TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU (HVDC).............................................................155
7.1.1. Giới thiệu..............................................................................................................155
7.2.2. Nguyên lý của hệ thống HVDC............................................................................155
7.1.3. Cấu tạo của hệ thống HVDC................................................................................155
7.1.4. Ưu nhược điểm và ứng dụng................................................................................156
7.2. BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM..............................................................................................158
7.4. BỘ BIẾN TẦN CÔNG NGHIỆP.................................................................................158
7.5. NGUỒN LIÊN TỤC
(UPS).........................................................................................1597.5.1. Giới thiệu
chung về UPS......................................................................................159
7.5.2. Ứng dụng của UPS trong thực tế..........................................................................161
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................................162
lOMoARcPSD|37054152
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AC Alternating Current
BBĐ Bộ biến đổi
DAC Digital Analog Converter
DC Direct Current
ETO Emitter Turn Off Thyristor
GTO Gate Turn Off Thyristor
HVDC High Voltage Direct Current
IGCT Integrated Gate Commutated Thyristor
KĐTT Khuếch đại thuật toán
MCT Mos Controlled Thyristor
MTO Mos Turn Off Thyristor
NL Nghịch lưu
ROM Read Only Memory SCR Controlled
Rectifier
TRIAC Triode Alternative Current
UPS Uninterrupted Power Supply
lOMoARcPSD|37054152
Chương 1. Các khái niệm cơ bản
1.3. HỆ SỐ CÔNG SUẤT
1.3.1. Một số khái niệm
- Công suất tác dụng P: biểu thị năng lượng sử dụng trong một đơn vị thời gian.
1
P T
T
u t i t dt( ). ( ). (1.4)
- Công suất biểu kiến S: tính bằng tích số giá trị hiệu dụng dòng và áp, biểu thị năng
lượng sử dụng trong một đơn vị thời gian nếu xem tải là thuần trở.
S U
R R
.I (1.5)
- Hệ số công suất hay PF (Power Factor) đối với một tải được định nghĩa bằng tỉ số giữa công
suất tiêu thụ P và công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải đó.
P
PF (1.6)
S
Trong trường hợp tín hiệu xoay chiều hình sin, ta có: P
F
cos với là góc lệch giữa dòng
điện và điện áp trong mạch.
1.3.2. Công suất tín hiệu
Có nhiều công thức tính công suất trong mạch điện tử công suất, phụ thuộc vào mục đích
sử dụng.
+ Công suất của tín hiệu một chiều (P
0
hay P
DC
)
P
0
U I
0 0
. ; U
0
và I
0
là điện áp trung bình và dòng điện trung bình.
+ Công suất của tín hiệu xoay chiều (hình sin):
P
1
U I
1 1
. .cos 1; U
1
, I
1
là biên độ điện áp và dòng điện;
1
là góc lệch pha giữa dòng điện
và điện áp.
+ Công suất toàn phần ở đầu ra, gồm thành phần một chiều và sóng hài bậc cao.
1
2
2
2
2
0
0
0
1
sin2
1
1
cos2
.sin).
.
(
4
2
2
m
m
rms
m
U
x
U
x
x
dx
U
dx
x
U
2
220[V]
2
m
rms
U
U
lOMoARcPSD|37054152
Chương 1. Các khái niệm cơ bản
P T
T
u t i t dt( ). ( ). P
0
n 1U
n
.I
n
.cos n
Ở các bộ biến đổi đầu ra áp một chiều, thì V
0
, I
0
, P
DC
là các thành phần mong muốn, sóng
hài bậc cao (các thành phần hình sin) là không mong muốn, chỉ tạo ra các tác dụng phụ.
1.3.3. Cách nâng cao hệ số công suất
Các bộ biến đổi công suất là những thiết bị có tính phi tuyến. Giả sử nguồn điện áp cung
cấp có dạng sin và dòng điện qua nó có dạng tuần hoàn không sin. Dựa vào phân tích Fourier
áp dụng cho dòng điện i, ta có thể tách dòng điện thành các thành phần sóng hài cơ bản I
(1)
cùng
tần số với nguồn áp và các sóng hài bậc cao I
(2)
, I
(3)
,... Dễ dàng thấy rằng, sóng điện áp nguồn
và sóng hài cơ bản của dòng điện tạo nên công suất tiêu thụ của tải:
P = P
1
= m.U.I
(1)
.cos
1
với
1
là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện sóng hài cơ bản.
Các sóng hài còn lại (bậc cao) tạo nên công suất ảo.
Ta có:
S 2 ( . . )mU I 2 m U2. 2.(I(1)2 I(2)2 I(3)2 ...)
S 2 m U2 . 2 .I(1)2 m U2 . 2 . I(2j) m U2.2.I(1)2 .cos2 1 m U2.2.I(1)2 .sin 2 1 m U2.2. I(2j)
j 2 j 2
S 2 P2 Q12 D2
Với
P mU I. .
(1)
.cos
1
: Công suất tiêu thụ của tải.
Q
1
mU I. .
(1)
.sin
1
: công suất phản kháng (công suất ảo do sóng hài cơ bản của dòng
điện tạo nên).
D m U
2
.
2
. I
(
2
j)
: công suất biến dạng (công suất ảo do các sóng hài bậc cao của
j 2
dòng điện tạo nên).
P P
Từ đó ta suy ra hệ số công suất:
PF
S
P
2
Q
12
D
2
Muốn tăng hệ số công suất, ta có thể:
Giảm Q
1
(công suất ảo của sóng hài cơ bản) bằng cách thực hiện bù công suất phản
kháng. Các biện pháp thực hiện như bù bằng tụ điện, bù bằng máy điện đồng bộ kích
từ dư hoặc dùng thiết bị hiện đại bù bán dẫn (SVC - Static Var Compensator);
lOMoARcPSD|37054152
Chương 1. Các khái niệm cơ bản
Giảm D (công suất ảo của các sóng hài bậc cao): Tuỳ theo phạm vi hoạt động của dãy
tần số của sóng hài bậc cao được bù, ta phân biệt các biện pháp sau đây:
• Lọc sóng hài: áp dụng cho các sóng hài bậc cao lớn hơn sóng hài cơ bản đến giá
trị khoảng kHz. Có thể sử dụng các mạch lọc cộng hưởng LC. Ví dụ dùng mạch
lọc LC cộng hưởng với bậc 5, 7, 11..mắc song song với nguồn cần lọc.
• Khử nhiễu: đề cập trong mục 1.5.
Ngoài ra, có thể biểu diễn hệ số công suất theo hệ thức sau:
I
(1)
PF cos
1
I
1.4. ĐỘ MÉO DẠNG TÍN HIỆU
a) Sóng hài bậc cao
u t( ) U
0
A
n
sinn t B
n
cosn t U
0
u
n
n 1
n 1
2 2
Với u
n
U
n
sin nt n , A
n
T T u t( ).sin nt dt., B
n
T T u t( ).cos nt dt. ,
Un An2 Bn2 , n tg 1 BAnn , UR U02 1
2
n 1Un2
trong đó:
U
0
: trị số trung bình ( thành phần một chiều ) của u(t)
: tần số góc của u(t), chu kỳ T 2 / u
n
:
sóng hài bậc n - có tần số n .
A
n
, B
n
: các thành phần sin, cos của sóng hài bậc n
U
n
,
n
: biên độ và lệch pha của sóng hài bậc n
U
R
: Trị hiệu dụng của u(t).
b) Hệ số hình dạng ( form factor ): tỉ số giữa giá trị hữu dụng và giá trị hiệu dụng.
+ Đối với bộ biến đổi có đầu ra một chiều:
U0
KFDC
lOMoARcPSD|37054152
Chương 1. Các khái niệm cơ bản
U
R
Với U
0
: điện áp trung bình đầu ra; U
R
: điện áp hiệu dụng đầu ra.
+ Đối với bộ biến đổi có đầu ra xoay chiều:
U1
KFAC ; U
R
Với U
1
: điện áp hiệu dụng sóng hài bậc 1 (cơ bản) đầu ra; U
R
: điện áp hiệu dụng đầu ra.
c) Độ biến dạng (THD – Total harmonic distortion)
+ Đầu ra điện áp một chiều: THD UR2 U02
U
0
U
R
2
U
1
2
+ Đầu ra điện áp xoay chiều: THD
U
1
1.5. HIỆN TƯỢNG NHIỄU VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC
Nhiễu là nguyên nhân làm cho mạch chạy không ổn định, cung như làm giảm hiệu năng
của các mạch điện tử nói chung và mạch điện tử công suất nói riêng. Hiện tượng nhiễu có một
số nguyên nhân sau:
- Do môi trường bên ngoài tác động. Ảnh hưởng từ các nguồn nhiễu tự nhiên hoặc do
các hệ thống điện tử đặt gần đó.
- Do bản thân mạch gây ra. Các sóng tần số cao này phát sinh từ các mạch điều khiển
phát sóng với tần số cao hoặc do quá trình đóng ngắt các linh kiện công suất, các sóng
hoạt động trong các mạch điện có khả năng phát sóng điện từ lan truyền vào môi
trường và tạo nên tác dụng gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh, thậm chí gây nhiễu
cho chính bản thân mạch điều khiển các thiết bị công suất.
Biện pháp khắc phục: dùng tụ, dùng mạch lọc, dùng bọc kim dây dẫn hoặc dùng lưới
chống nhiễu cho thiết bị.
BÀI TẬP
1. Tính trị trung bình điện áp chỉnh lưu của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha không điều
khiển.Hàm điện áp chỉnh lưu có dạng u = U
m
.|sin( .t)|; với U
m
= 100 2 [V]; = 314 [rad/s].
2. Tính trị hiệu dụng của điện áp u 200 2.sin(100 t) [V] .
3. Xác định trị trung bình và hiệu dụng của các điện áp đối xứng dạng hình tam
giác câncó biên độ U
m
= 15 [V], chu kỳ T = 0,02 s.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 1. Các khái niệm cơ bản
4. Xác định trị trung bình và hiệu dụng của các điện áp đối xứng dạng hình vuông
cóbiên độ U
m
= 15 [V], chu kỳ T = 0,02 s.
5. Cho một tín hiệu có giá trị điện áp u 200 2.sin(100 t ) [V] và cường độ
dòng 3
điện i 2 2.cos(100 t ) [V]. Tính công suất tín hiệu?
3
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
4
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 2.3:
Diode D
1
bảo vệ mạch cổng của transistor trong thời gian kích ngắt
Mạch cách ly tín hiệu điều khiển và mạch kích
Các mạch phát ra tín hiệu để điều khiển mạch công suất dùng bán dẫn thường yêu cầu
cách ly về điện. Điều này có thể thực hiện bằng optron hoặc bằng biến áp xung.
Biến áp xung: gồm một cuộn sơ cấp và có thể nhiều cuộn thứ cấp. Với nhiều cuộn dây
phía thứ cấp, ta có thể kích đóng nhiều transistor mắc nối tiếp hoặc song song. Sơ đồ nguyên
lý mạch cách ly tín hiệu điều khiển dùng biến áp xung được vẽ trên hình 2.4.
Biến áp xung cần có cảm kháng tản nhỏ và đáp ứng nhanh. Trong trường hợp xung điều
khiển có cạnh tác động kéo dài hoặc tần số xung điều khiển thấp, biến áp xung sớm đạt trạng
thái bão hòa và ngõ ra của nó không thỏa mãn yêu cầu điều khiển.
Hình 2.4:
Optron: gồm nguồn phát tia hồng ngoại dùng diode (I
LED
) và mạch thu dùng
phototransistor. Tín hiệu xung điều khiển được đưa vào LED và ngõ ra được dẫn từ
phototransistor (hình 2.5).
Hình 2.5:
Thời gian ton của phototransistor khoảng 2-5µs, t
off
= 300ns.
Mạch dùng optron đòi hỏi phải tạo nguồn riêng cho nó. Do đó, mạch phức tạp và tốn kém
hơn.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
5
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Mạch bảo vệ BJT
Dạng mạch bảo vệ BJT tiêu biểu được vẽ trên hình hình 2.6.
Tác dụng của mạch nhằm bảo vệ transistor trước các hiện tượng tăng quá nhanh của du
di điện áp và dòng điện qua transistor. dt dt
du
Mạch RC có tác dụng hạn chế độ dốc giữa hai cực CE. Cuộn kháng L
S
thực hiện dt
di
giảm sự tăng nhanh dòng qua BJT. dt
Hình 2.6:
2.3.2. MOSFET công suất
Loại transistor có khả năng đóng ngắt nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp được gọi là
Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) với cổng điều khiển bằng điện
trường (điện áp).
(Tham khảo thêm tài liệu Cấu kiện điện tử)
Hình 2.7:
MOSFET ở trạng thái ngắt khi điện áp cổng thấp hơn giá trị UGS.
Để MOSFET ở trạng thái đóng, đòi hỏi điện áp cổng tác dụng liên tục. Dòng điện đi vào
mạch cổng điều khiển không đáng kể trừ khi mạch ở trạng thái quá độ, đóng hoặc ngắt dòng.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
6
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Lúc đó xuất hiện dòng phóng và nạp điện cho tụ của mạch cổng. Thời gian đóng ngắt rất nhỏ,
khoảng vài ns đến hàng trăm ns phụ thuộc vào linh kiện. Điện trở trong của MOSFET khi dẫn
điện Ron thay đổi phụ thuộc vào khả năng chịu áp của linh kiện. Do đó, các linh kiện MOSFET
thường có định mức áp thấp tương ứng với trở kháng trong nhỏ và tổn hao ít.
Tuy nhiên, do tốc độ đóng ngắt nhanh, tổn hao phát sinh thấp. Do đó, với định mức áp từ
300V- 400V MOSFET tỏ ra ưu điểm so với BJT ở tần số vài chục kHz.
MOSFET có thể sử dụng đến mức điện áp 1000V, dòng điện vài chục amper và với mức
điện áp vài trăm volt với dòng cho phép đến khoảng 100A. Điện áp điều khiển tối đa 20V
(2V,5V,10V.. tùy theo loại), mặc dù thông thường có thể dùng áp đến 5V để điều khiển được
nó.
Các linh kiện MOSFET có thể đấu song song để mở rộng công suất.
Mạch kích MOSFET
Để giảm thời gian kích đóng t
on
của MOSFET ta có thể sử dụng dạng mạch (hình 2.8a)
Khi tác dụng điện áp u
G
, dòng điện tích điện ban đầu cho tụ mạch cổng G:
Sau đó điện áp xác lập trên cổng là
R
S
là điện trở trong của mạch kích.
Hình 2.8:
Sơ đồ mạch kích được cải thiện trên hình 2.8b sử dụng cấu trúc totem-pole gồm 2
transistor NPN và PNP. Khi điện áp kích U
1
ở mức cao, Q
1
dẫn và Q
2
khóa làm MOSFET
dẫn. Khi tin hiệu U
1
thấp, Q
1
ngắt, Q
2
dẫn làm các điện tích trên mạch cổng được phóng
thích và MOSFET trở nên ngắt điện. Tín hiệu U
1
có thể lấy từ mạch collector mở
(opencollector TTL) và totem-pole đóng vai trò mạch đệm (buffer).
Tương tự như BJT, mạch kích cổng G của MOSFET có thể được cách ly với mạch tạo
tín hiệu điều khiển thông qua biến áp xung, optron hoặc cáp quang (H1.14a,b).
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
7
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Mạch bảo vệ MOSFET
Cấu tạo khác biệt của MOSFET so với BJT làm cho linh kiện hoạt động tốt mà
không cần bảo vệ nhiều như BJT. Tuy nhiên, ta có thể sử dụng mạch RC nhỏ mắc song
song với ngõ ra của linh kiện để hạn chế tác dụng các gai điện áp và các xung nhiễu
dao động xuất hiện khi linh kiện đóng.
Hình 2.9:
2.4. THYRISTOR
Hình 2.10:
Mô tả và chức năng
Thyristor gồm 3 lớp PN và mắc vào mạch ngoài gồm 3 cổng: điện cực anode A, cathode
C và cổng điều khiển G. Về mặt lý thuyết tồn tại cấu trúc thyristor: PNPN và NPNP, trong thực
tế người ta chỉ phát triển và sử dụng loại PNPN. Sơ đồ thay thế thyristor bằng mạch transistor
được vẽ ở hình 2.10. Giả sử anode của thyristor chịu tác dụng của điện áp dương so với cathode
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
8
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
(uAK > 0). Khi đưa vào mạch G, K của cathode (tương ứng với mạch baseemitor của tranristor
NPN) xung dòng I
G
, transistor NPN sẽ đóng. Dòng điện dẫn tiếp tục qua mạch emitor -base của
transistor PNP và đóng nó. Các transistor sẽ tiếp tục đóng ngay cả khi dòng i
G
bị ngắt. Dòng
qua collector của một transistor cũng chính là dòng đi qua base của transistor thứ hai và ngược
lại. Các transistor vì vậy cùng nhau duy trì ở trạng thái đóng.
Các tính chất và trạng thái cơ bản
Nếu transistor bị ngắt, thì anode có thể chịu được điện áp dương so với cathode - trạng
thái khóa; hoặc điện áp âm so với cathode - trạng thái nghịch.
Hiện tượng đóng SCR tức chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn điện có thể thực
hiện nếu thỏa mãn cả hai điều kiện sau:
1/- Thyristor ở trạng thái khóa.
2/-có xung dòng điện kích i
G
> 0 đủ lớn.
Hiện tượng ngắt SCR: quá trình chuyển từ trạng thái dẫn điện sang không dẫn điện (tức
trạng thái nghịch hoặc trạng thái khóa). Quá trình này gồm hai giai đoạn:
1/- Giai đoạn làm dòng thuận bị triệt tiêu: thực hiện bằng cách thay đổi điện trở hoặc điện
áp giữa anode và cathode.
2/- Giai đoạn khôi phục khả năng khóa của thyristor. Sau khi dòng thuận bị triệt tiêu, cần
có một thời gian - thời gian ngắt, để chuyển thyristor vào trạng thái khóa. Đặc tính V-A
Đặc tính V-A ngõ ra: quan hệ giữa điện áp và dòng điện đi qua hai cực anode, cathode
(xem hình 2.11). Đặc tính ngõ vào quan hệ giữa điện áp và dòng cổng G (cổng điều khiển).
Đặc tính V-A ngõ ra gồm 3 nhánh:
Hình 2.11:
- Nhánh thuận (1): thyristor ở trạng thái dẫn điện. Độ sụt áp giữa anode –cathode
nhỏkhông đáng kể.
- Nhánh nghịch (3): ứng với trạng thái nghịch tương tự như diode.
- Nhánh khóa (2): ứng với trạng thái khóa. Nếu dòng i
G
= 0 thì dạng nhánh khóa tương
tự như nhánh nghịch. Thay vì điện trở r
R
thì ở đây là điện trở r
D
(differential block resistance).
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
9
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Tương tự ta có điện áp đóng u
BO
thay vì u
BR
. Khi điện áp đạt đến giá trị uBO, thyristor không
bị phá hỏng mà sẽ bị đóng (chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn điện). Khi i
G
thay đổi,
tùy thuộc vào độ lớn của i
G
mà giá trị của điện thế khóa thay đổi theo (điện thế khóa giảm khi
i
G
tăng). Hiện tượng thyristor dẫn điện do tác dụng điện áp vượt quá u
BO
(i
G
=0) là sự cố gây ra
do quá điện áp xuất hiện trên lưới.
Thông thường, ta đóng thyristor bằng xung dòng qua mạch G, K. Điện trở thuận r
T
và
điện áp thuận u
TO
được định nghĩa tương tự như trường hợp của diode. Khác với diode, các
nhánh thuận của thyristor không bắt đầu từ góc zero của hệ trục mà từ giá trị I
H
– (holding
current) dòng duy trì ở trạng thái dẫn. Nếu giá trị dòng giảm nhỏ hơn iH thì thyristor trở về
trạng thái khóa. Ngay sau khi đóng thyristor, trước khi dòng cổng i
G
tắt, đòi hỏi dòng thuận
phải đạt đến hoặc vượt hơn giá trị dòng chốt i
L
, i
L
> i
H
(L: Latching).
Hình 2.12: Hình 2.13:
Để đóng thyristor, khoảng đầu xung dòng kích phải có trị đủ lớn. Dạng xung dòng thường
sử dụng cho cổng có dạng như hình 2.12. Do tính chất của lớp nghịch không tốt nên không
được phép để xuất hiện trên nó điện thế âm dù chỉ rất nhỏ. Khi thyristor ở trạng thái nghịch
việc kích vào cổng G sẽ làm tăng dòng nghịch một cách vô ích. Các xung điều khiển thường
được truyền đến thyristor nhờ các biến áp xung. Nhiệm vụ của nó là tách mạch công suất khỏi
nguồn tạo xung kích. Khi sử dụng các biến áp xung, cần phải giải quyết vấn đề làm tắt nhanh
dòng từ hóa khi xung bị ngắt (nếu không thì dòng từ không ngừng tăng lên sau mỗi lần đưa
xung vào) và vấn đề bảo vệ lớp cổng của thyristor trước điện áp nghịch. Để giải quyết vấn đề
trên ta có thể sử dụng dạng mạch ở hình 2.16.
Các tính chất động
Tác dụng điện áp khóa u
V
(hoặc u
D
): về bản chất đó là tác dụng điện áp nghịch lên lớp
bán dẫn (xem hình 2.13). Lúc đó, nó họat động như một tụ điện, điện dung của nó phụ thuộc
vào độ lớn điện áp đặt vào:
d C u( .
V
) u
V
.dC C.du
V
i
C
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
10
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
dt dt dt
du
V
đủ lớn (giả sử rằng C không
Theo phương trình trên, dòng i
C
đạt giá trị lớn khi dt
đổi). Bởi vì một phần đường dẫn của i
C
trùng với đường dẫn của dòng kích cổng nên có tác
dụng như đóng kích và làm đóng thyristor ngoài ý muốn. Vì thế người ta giới hạn độ dốc của
uV đến giá trị: Sucrit dudtV max
Việc đóng thyristor không xảy ra ngay khi xung dòng i
G
vào cổng. Thoạt tiên dòng dẫn
i
V
đi qua một phần nhỏ của tiết diện của thyristor ở chỗ nối với cổng G. Sau đó, điện tích dẫn
tăng dần lên của tiết diện phiến bán dẫn, điện áp khóa giảm dần. Đối với các thyristor, thông
thường thời gian đóng điện t
gt
ở trong khoảng 3 10µs. Khi dòng i
V
tăng nhanh quá, chỉ có một
phần nhỏ tiết diện chung quanh mạch cổng G dẫn điện và dẫn đến quá tải, có thể làm tăng nhiệt
độ lên đến giá trị làm hỏng linh kiện.
Vì thế độ tăng của dòng i
V
bị giới hạn đến giá trị S
icrit
di
dt
V
max
Ngắt thyristor (xem hình 2.13): giai đoạn đầu diễn ra tương tự như khi ngắt diode .
Thời gian phục hồi tính nghịch trr, điện tích chuyển mạch Q
r
(lớn hơn đối với thyristor).
Sau khi phục hồi điện trở nghịch của các lớp J
1
và J
3
(xem hình 2.13), quá trình ngắt vẫn chưa
chấm dứt, cần có thêm một thời gian nữa để khôi phục khả năng khóa - tức là khôi phục điện
trở nghịch của lớp J
2
. Vì vậy, ta định nghĩa thêm tq là thời gian ngắt tối thiểu cần thiết mà SCR
cần duy trì áp ngược để khôi phục khả năng khóa, nó bắt đầu khi dòng điện thuận trở về zero
cho đến khi điện áp khóa tác dụng trở lại mà không làm SCR đóng lại (Ig = 0). Nếu ta tác dụng
điện áp khóa lên sớm.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
11
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 2.14:
Hơn khoảng thời gian t
q
này, SCR có thể đóng ngắt ngoài ý muốn dẫu chưa có xung kích
đưa vào cổng kích. Thời gian ngắt phụ thuộc vào các điều kiện lúc ngắt như nhiệt độ chất bán
dẫn, dòng bị ngắt, tốc độ giảm dòng và điện áp nghịch. Các thyristor thường có t
q
trong khoảng
từ vài µs đến hàng trăm µs.
Các hệ quả: công suất tổn hao do đóng ngắt quá điện áp do quá trình chuyển đổi mạch,
các giới hạn S
ucrit
, S
icrit
. Quá điện áp do quá trình chuyển mạch có thể được giới hạn bằng
di
V
kết hợp với
mạch RC (song song với SCR) để giới mạch RC. Cuộn cảm kháng bảo vệ
dt
du
V
. hạn
độ dốc
dt
Khả năng mang tải
Khả năng chịu áp, dòng và khả năng quá tải được xem xét tương tự như diode. Điện thế
nghịch cực đại có thể lặp lại u
RRM
và điện thế khóa u
DRM
thường bằng nhau và cho biết các giá
trị điện áp lớn nhất tức thời cho phép xuất hiện trên thyristor bởi vì điện thế cực đại không lặp
lại của thyristor thường không được biết. Khả năng chịu áp của thyristor đạt đến hàng chục kV,
thông thường ở mức 5-7 kV, dòng điện trung bình đạt đến khoảng 5.000A. Độ sụt áp khi dẫn
điện nằm trong khoảng 1,5-3V. Phần lớn các thyristor được làm mát bằng không khí.
Các thyristor đặc biệt:
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
12
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Thyristor cao áp: có điện áp lặp lại lớn nhất khoảng vài nghìn volt. Các thông số đặc
trưng tính chất động của nó không có lợi (Q
r
, t
q
,S
ucrit
, S
icrit
).
Thyristor nhanh: các thông số cải tiến tính chất động được tốt hơn như t
q
nhỏ, S
ucrit
và S
icrit
lớn. Khả năng chịu áp và dòng của nó thấp hơn.
Thyristor GATT: bản chất giống như thyristor đáp ứng nhanh. Bằng các tác dụng điện áp
ngược lên mạch cổng, thời gian t
q
có thể giảm xuống còn phân nửa so với thyristor nhanh.
Fotothyristor: Có thể cho đóng bình thường bằng xung kích vào cổng G, hoặc bằng tia
sáng lên vị trí nhất định của vỏ chứa thyristor.
Fotothyristor cách ly nguồn xung kích và mạch công suất, các dạng của nó được vẽ trên
hình 2.15. Trong đó phương án ở hình a/- sử dụng dạng vi mạch giúp tận dụng nguồn tia sáng
kích thích, phương án b/- và c/- bảo đảm cách ly tốt giữa nguồn xung kích và mạch công suất,
do đó hạn chế nhiều tác dụng của sóng nhiễu, dạng c/- chỉ cần công suất kích của nguồn sáng
không đáng kể.
Hình 2.15:
Mạch kích thyristor
Trong các bộ biến đổi công suất dùng thyristor, thyristor và mạch tạo xung kích vào cổng
điều khiển của nó cần cách điện. Tương tự như các mạch kích cho transistor, ta có thể sử dụng
biến áp xung hoặc optron, xem hình 2.16
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
13
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
(a) Hình 2.16: (b)
Mạch kích dùng biến áp xung được vẽ trên hình 2.16a. Sau khi tác dụng áp lên mạch
cổng B của transistor Q
1
. Transistor Q
1
dẫn bão hòa làm điện áp Vcc xuất hiện trên cuộn sơ cấp
của biến áp xung và từ đó xung điện áp cảm ứng xuất hiện phía thứ cấp biến áp. Xung tác dụng
lên cổng G của thyristor. Khi khóa xung kích cho transistor Q
1
bị ngắt dòng qua cuộn sơ cấp
biến áp xung duy trì qua mạch cuộn sơ cấp và diode D
m
.
Việc đưa xung kích dài vào cổng G làm tăng thêm tổn hao mạch cổng, do đó có thể thay
thế nó bằng chuỗi xung. Muốn vậy, xung điều khiển kết hợp với tín hiệu ra của bộ phát xung
vuông qua mạch cổng logic AND trước khi đưa vào cổng B của transistor Q
1
(xem hình 2.16b)
Mạch bảo vệ thyristor: thông thường, mạch RC mắc song song với thyristor (hình 2.16)
có thể sử dụng để bảo vệ nó chống quá điện áp. Mạch có thể kết hợp với cuộn kháng bảo vệ
di
V
.
mắc nối tiếp với thyristor chống sự tăng nhanh dòng điện qua linh kiện dt
2.5. TRIAC
Triac là linh kiện có thể dẫn dòng điện theo cả hai chiều. Vì vậy định nghĩa dòng thuận
và dòng ngược không có ý nghĩa, tương tự cho khái niệm điện áp ngược. Việc kích dẫn triac
thực hiện nhờ xung dòng điện đưa vào cổng điều khiển G. Điều kiện để triac đóng điện là đưa
xung dòng kích vào cổng điều khiển trong điều kiện tồn tại điện áp trên linh kiện khác 0.
Giống như thyristor, không thể điều khiển ngắt dòng qua triac. Triac sẽ ngắt theo qui
luật đã được giải thích đối với thyristor.
Mô tả và chức năng
Việc đóng triac theo cả hai chiều được thực hiện nhờ 1 cổng duy nhất G và xung dòng
kích vào cổng G có chiều bất kỳ. Bởi vì triac dẫn điện cả hai chiều nến chỉ có hai trạng thái,
trạng thái dẫn và khóa. Mặc dù vậy có thể định nghĩa triac có chiều thuận và chiều nghịch. Đặc
tính V-A
Đặc tính V-A của triac tương tự như thyristor. Do khả năng dẫn điện theo cả hai chiều,
đặc tính triac có dạng đối xứng qua tâm tọa độ. Cần nói thêm về trường hợp đặc tính cổng điều
khiển. Việc kích đóng triac có thể chia ra làm các trường hợp:
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
14
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 2.17:
u
V
> 0: a/- u
G
> 0 , i
G
> 0
b/- u
G
< 0 , i
G
< 0
u
VR
> 0: c/- u
G
> 0 , i
G
> 0
d/- u
G
< 0 , i
G
< 0
Mặc dù có thể tạo dòng kích có dấu tùy ý, nhưng thực tế sẽ là thuận lợi hơn khi dòng kích
dương cho trường hợp dòng qua triac dương và dòng kích âm khi dòng qua triac âm. Các tính
chất động
Việc đóng (xem thyrisror): thời gian đóng t
gt
, nhanh nhất ở trường hợp a, chậm nhất ở
trường hợp c. Tốc độ tăng của dòng dẫn bị giới hạn bởi:
Sicrit didtV didtVR max
max
Việc ngắt (xem thyristor): thời gian ngắt được tính từ lúc giảm dòng dẫn theo một hướng
về 0 đến khi có thể đặt điện áp khóa cùng chiều đó lên triac. Nếu ta ngắt dòng dẫn của triac
trong một chiều nào đó, điện thế khóa ở chiều ngược lại tăng lên ở cuối quá trình chuyển mạch
với tốc độ lớn có thể gây ra việc đóng ngoài ý muốn. Vì thế, tốc độ tăng của điện thế khóa khi
chuyển mạch bị giới hạn bởi giá trị:
Sucrit dudtV max dudtVR max
Các giá trị S
ucrit
thường nhỏ hơn 20V/µs. Tốc độ giới hạn của điện thế khóa Sucrit đối với
triac điện ở trạng thái không dẫn điện có giá trị cao hơn - khoảng vài trăm V/µs.
Khả năng chịu tải
Định mức điện áp: Xác định theo điện áp khóa cực đại có thể lặp lại, nó bằng nhau cho
cả hai hướng u
DRM
= u
RRM
. Điện áp cực đại không lặp lại không được biết.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
15
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Định mức dòng điện: Xác định theo giá trị hiệu dụng lớn nhất của dòng dẫn i
VM
. Thường
được định nghĩa cho dòng hình sin đối với nhiệt độ cho trước và tốc độ làm mát cho trước.
2.6. GTO, IGCT, MCT, IGBT
2.6.1. GTO (Gate Turn Off Thyristor)
Hình 2.18:
GTO có cấu tạo gồm bốn lớp pnpn tương tự với thyristor thông thường (SCR)- hình
2.18a, với các tính năng tương tự của thyristor với điểm khác biệt là có thể điều khiển ngắt
dòng điện qua nó. Mạch tương đương GTO được vẽ trên hình 2.18b có cấu trúc tương tự mạch
mô tả SCR nhưng có thêm cổng kích ngắt mắc song song cổng kích đóng. Ký hiệu linh kiện
GTO vẽ trên hình 2.18c.
GTO được kích đóng bằng xung dòng điện tương tự như khi kích đóng thyristor thông
thường. Dòng điện kích đóng được tăng đến giá trị I
GM
và sau đó giảm xuống đến giá trị I
G
.
Điểm khác biệt so với yêu cầu xung kích đóng SCR là dòng kích i
G
phải tiếp tục duy trì trong
suốt thời gian GTO dẫn điện.
Mạch bảo vệ
Linh kiện GTO cần phải có mạch bảo vệ. Quá trình ngắt GTO đòi hỏi sử dụng xung dòng
kích đủ rộng. Điều này dẫn đến thời gian ngắt dài, khả năng di/dt và dv/dt của GTO thấp. Vì
thế, cần phải giới hạn các trị số hoạt động không vượt quá giá trị an toàn trong quá trình ngắt
GTO. Hình 2.19a là mạch bảo vệ GTO trong quá trình ngắt. Tụ điện C dùng để bảo vệ GTO
trong quá trình kích ngắt phải có giá trị điện dung lớn hơn giá trị qui định của nhà sản xuất, đạt
đến độ lớn khoảng vài µF. Ngoài ra, GTO đòi hỏi mạch bảo vệ chống hiện tượng tăng nhanh
dòng điện khi đóng.
Diode của mạch bảo vệ phải có khả năng chịu gai dòng lớn bởi vì trong quá trình sẽ xuất
hiện dòng có biên độ lớn qua diode và tụ điện. Điện trở mạch bảo vệ có trị số nhỏ và đảm bảo
tụ xả điện hoàn toàn trong khoảng thời gian đóng ngắn nhất của GTO khi vận hành. Khi GTO
đóng, năng lượng tích trữ trên tụ sẽ phải tiêu tán hết trên điện trở này. Vì thế, giá trị định mức
công suất của điện trở khá cao.
Mỗi GTO có một giá trị dòng được điều khiển cực đại mà nếu vượt quá thì không thể
ngắt nó bằng xung dòng ngược ở cổng Gate. Nếu trong quá trình vận hành bộ biến đổi công
suất sử dụng GTO như linh kiện đóng ngắt, sự cố có thể xảy ra (ví dụ như ngắn mạch) gây nên
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
16
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
hiện tượng quá dòng, hệ thống bảo vệ phải được thiết kế để nhận biết sự cố và ngắt GTO để
bảo vệ linh kiện. Nếu như giá trị dòng qua GTO khi sự cố xảy ra thấp hơn trị số dòng cực đại
thì có thể ngắt GTO bằng xung dòng cổng âm điều khiển với biên độ thích hợp. Nhưng nếu
giá trị dòng sự cố vượt quá giá trị bảo vệ bằng xung dòng âm, cần sử dụng mạch “bảo vệ kiểu
đòn bẩy“ (gồm khóa công suất mắc song song với linh kiện GTO). Nguyên lý hoạt động của
mạch bảo vệ là tạo ngắn mạch nguồn cấp điện cho GTO bằng cách kích đóng một SCR mắc
song song với linh kiện GTO. Dòng ngắn mạch làm chảy cầu chì và cắt linh kiện GTO khỏi
nguồn. Điều đó được minh họa trên hình 2.18b.
Trong những năm gần đây, GTO trở thành linh kiện đóng ngắt đươc sử dụng rộng rãi cho
các mạch công suất lớn: một GTO loại “nối tắt anode” có giá trị định mức áp khoảng 4500V
và định mức dòng 6000A. Các giá trị tương ứng của loại GTO cho phép dẫn dòng ngược là
4500V và 3000A (Mitsubishi 1998). Điện áp đặt trên GTO khi dẫn điện thường cao hơn SCR
(2-3V). Tốc độ đóng ngắt từ vài µs đến 25µs. Tần số đóng ngắt khoảng 100Hz đến 10kHz.
(a) Hình 2.19: (b)
Linh kiện công suất sẽ có chất lượng cao nếu cho độ sụt áp thấp khi dẫn điện (như
thyristor), yêu cầu mạch điều khiển đơn giản và khả năng ngắt dòng nhanh (như IGBT). Hiện
nay, một số linh kiện như vậy đã xuất hiện trên thị trường và chúng có khả năng thay thế dần
GTO. Chúng có thể xem là những dạng cải tiến của GTO, chế tạo theo nguyên lý khối tích hợp
(Power Electronics Building Block- PEBB) nhằm giảm bớt các yêu cầu về mạch kích và làm
tăng khả năng ngắt nhanh. Các linh kiện này gồm MTO (MOS Turn-Off Thyristor), ETO
(Emitter Turn-Off Thyristor) và IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor).
2.6.2. IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor)
Cấu tạo và chức năng
Việc cải tiến công nghệ chế tạo GTO thyristor đã phát minh ra công nghệ IGCT.
GCT (Gate Commutated Thyristor) là một dạng phát triển của GTO với khả năng kéo
xung dòng điện lớn bằng dòng định mức dẫn qua cathode về mạch cổng trong 1 s để đảm bảo
ngắt nhanh dòng điện. Cấu trúc của GCT và mạch tương đương của nó giống như của GTO.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
17
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
IGCT là linh kiện gồm GCT và có thêm một số phần tử hỗ trợ, bao gồm cả board mạch
điều khiển và có thể gồm cả diode ngược.
Để kích đóng GCT, xung dòng điện được đưa vào cổng kích làm đóng GCT tương tự như
trường hợp GTO.
Để kích ngắt GCT, tiếp xúc PN base-emitter được phân cực ngược bằng cách cung cấp
điện áp nguồn ngược chiều. Điều này làm triệt tiêu dòng điện qua cathode vì toàn bộ dòng
điện đi qua cathode sẽ được đẩy sang mạch cổng với tốc độ rất nhanh và biến GCT trở thành
một transistor pnp.
Để có thể tạo dòng điện qua mạch cổng tăng nhanh và đủ lớn, GCT (IGCT) được chế
tạo đặc biệt để giảm cảm kháng mạch cổng (mạch vòng cổng điều khiển – cathode) đến giá trị
nhỏ nhất.
Vấn đề mấu chốt của GCT là tạo khả năng tăng nhanh dòng điện qua cổng. Điều này
đạt được bằng ống dẫn điện đồng trục qua mạch cổng- cathode và công nghệ mạch điều khiển
nhiều lớp (multilayer). Chúng cho phép dòng cổng tăng với tốc độ 4kA/ s khi điện thế cổng-
cathode ở mức 20V. Trong thời gian 1 s, transistor npn của GTO bị ngắt hoàn toàn và cực
cổng của transistor pnp còn lại bị mở làm GCT bị ngắt. Do việc ngắt thực hiện bằng xung
dòng rất ngắn nên công suất tổn hao mạch cổng được giảm đến mức tối thiểu. Công suất tiêu
thụ của GCT giảm đi khoảng 5 lần so với trường hợp GTO.
Lớp p phía anode được làm mỏng và làm giàu hạt mang điện chút ít để cho phép khử
các hạt mang điện phía anode nhanh hơn trong thời gian ngắt. IGCT có thể tích hợp diode
ngược bằng tiếp xúc n
+
n
-
p được vẽ bên phải của hình 2.20. Diode ngược cần thiết trong cấu
tạo của các bộ nghịch lưu áp.
Hình 2.20:
Quá trình ngắt dòng điện của GCT bởi tác dụng xung dòng kích cổng được vẽ minh họa
trên hình 2.22. Để có thể so sánh với quá trình ngắt dòng của GTO, đồ thị của dòng cổng được
vẽ cho hai trường hợp.
Khả năng chịu tải
Ưu điểm chính của IGCT thể hiện ở các mặt sau:-khả năng chịu áp khóa cao đến 6kV
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
18
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
( dự kiến sẽ tăng lên đến 10kV) với độ tin cậy cao; tổn hao thấp khi dẫn điện bởi có khả năng
dẫn như thyristor; khả năng giới hạn dòng ngắn mạch sử dụng mạch bảo vệ chứa cuộn kháng
hạn chế di/dt (turn on snubber) và giá thành thấp do tận dụng công nghệ silicon với mức tích
hợp năng lượng cao.
Hình 2.21:
Hình 2.22:
Các thiết bị sử dụng IGCT có công suất thay đổi trong khoảng 0,3 đến 5MW cho các
ứng dụng truyền động điện nói chung, đến 5MW cho thiết bị ổn định điện áp (Dynamic
Voltage Restorer), nguồn dự phòng (Dynamic UPS) và máy cắt, đến 20MW đối với các truyền
động đặc biệt, 25MW đối với mạch siêu dẫn từ SMES (Supermagnetic Energy Storage) và
100MW cho thiết bị truyền tải điện (interties).
2.6.3. MCT (Mos Controlled Thyristor)
Cấu tạo và chức năng
MCT có cấu tạo kết hợp công nghệ của thyristor với ưu điểm tổn hao dẫn điện thấp và
khả năng chịu áp cao vàø của MOSFET với khả năng đóng ngắt nhanh.
Hình 2.23 mô tả cấu trúc cắt ngang của một MCT, trong đó MOSFET được tích hợp
trong cấu trúc của SCR để thực hiện điều khiển quá trình đóng và ngắt linh kiện này. MCT
được điều khiển qua cổng MOS. Trong công nghiệp thường xuất hiện các MCT loại p. Ký
hiệu và đặc tính của MCT được mô tả trên hình 2.24.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
19
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 2.23:
Hình 2.24:
Để kích dẫn MCT, xung điện áp âm được đưa vào giữa cổng gate- anode. Điều này dẫn
đến việc đóng On- FET (p-FET) (trong khi đó cổng “off-FET” (n-FET) vẫn bị khóa) và kích
thích lớp cổng đệm -emitter của transistor npn Q1. Transistor Q1 và Q2 sau đó chuyển sang
trạng thái dẫn điện.
Để ngắt MCT, điện áp cổng gate – anode chuyển sang giá trị dương. Điều này làm
OffFET Q4 dẫn điện và làm nối tắt mạch emitter – lớp đệm của transistor Q2. Transistor Q2
vì thế bị tắt làm MCT bị ngắt.
MCT đạt độ sụt áp thấp khi dẫn điện (như GTO) và thấp hơn cả IGBT. Phương pháp
điều khiển dùng xung điện áp (như MOSFET, IGBT). Mạch lái đơn giản hơn so với GTO vì
không đòi hỏi xung dòng điện âm kích cổng. Tốc độ đóng ngắt của MCT nhanh hơn so với
GTO. Vì thế, MCT đang dần trở thành linh kiện điều khiển ngắt lý tưởng cho các tải có yêu
cầu độ sụt áp thấp, tổn hao thấp và đóng ngắt nhanh. Khả năng dòng điện của MCT nhỏ hơn
so với GTO.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
20
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Khả năng chịu tải
MCT được áp dụng cho các trường hợp yêu cầu điện trở và độ tự cảm nhỏ với khả năng
chịu được gai dòng điện lớn và di/dt cao. MCT có khả năng chịu được độ tăng dòng điện
1.400kA/ s và giá trị dòng đỉnh 14kA, tính qui đổi trên diện tích là 40kA/cm
2
đối với xung
dòng điện. Các MCT được chế tạo ở dạng tích hợp ví dụ gồm 4 đến 6 linh kiện (ThinPak).
MCT được sử dụng làm thiết bị phóng nạp điện cho máy bay, xe ô tô, tàu thủy, nguồn
cung cấp, ti vi. MCT cũng được sử dụng làm công tắc chuyển mạch mềm (Soft switching)
trong các mạch dao động cộng hưởng (Auxiliary Resonant Commutated Pole). Khả năng chịu
di/dt cao và gai dòng lớn còn mở ra hướng phát triển dùng MCT chế tạo các máy cắt với ưu
điểm gọn nhẹ, giá thành hạ và đáp ứng nhanh so với các máy cắt bán dẫn hiện tại. MCT dạng
tích hợp (ThinPak) còn được sử dụng trong các hệ truyền động máy kéo trong giao thông vận
tải.
2.6.4. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
IGBT có ký hiệu, mạch điện tương đương vẽ trên hình 2.25.
IGBT là transistor công suất hiện đại, chế tạo trên công nghệ VLSI, cho nên kích thước
gọn nhẹ. Nó có khả năng chịu được điện áp và dòng điện lớn cũng như tạo nên độ sụt áp vừa
phải khi dẫn điện.
IGBT có phần tử MOS với cổng cách điện được tích hợp trong cấu trúc của nó. Giống
như thyristor và GTO, nó có cấu tạo gồm hai transistor. Việc điều khiển đóng và ngắt IGBT
được thực hiện nhờ phần tử MOSFET đấu nối giữa hai cực transistor npn.
Việc kích dẫn IGBT được thực hiện bằng xung điện áp đưa vào cổng kích G. Đặc tính V-
A của IGBT có dạng tương tự như đặc tính V-A của MOSFET.
Khi tác dụng lên cổng G điện thế dương so với emitter để kích đóng IGBT, các hạt mang
điện loại n được kéo vào kênh p gần cổng G làm giàu điện tích mạch cổng p của transistor npn
và làm cho transistor này dẫn điện. Điều này sẽ làm IGBT dẫn điện. Việc ngắt IGBT có thể
thực hiện bằng cách khóa điện thế cấp cho cổng kích để ngắt kênh dẫn p. Mạch kích của IGBT
vì thế rất đơn giản.
Hình 2.25:
Ưu điểm của IGBT là khả năng đóng ngắt nhanh, làm nó được sử dụng trong các bộ
biến đổi điều chế độ rộng xung tần số cao. Mặc khác, với cấu tạo của một transistor, IGBT có
độ sụt áp khi dẫn điện lớn hơn so với các linh kiện thuộc dạng thyristor như GTO. Tuy nhiên,
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
21
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
IGBT hiện chiếm vị trí quan trọng trong công nghiệp với họat động trong phạm vi công suất
đến 10MW hoặc cao hơn nữa.
Công nghệ chế tạo IGBT phát triển tăng nhanh công suất của IGBT đã giúp nó thay thế
dần GTO trong một số ứng dụng công suất lớn. Điều này còn dẫn đến các cải tiến hơn nữa công
nghệ của GTO và tạo nên các dạng cải tiến của nó như MTO, ETO và IGCT.
Giống như MOSFET, linh kiện IGBT có điện trở mạch cổng lớn làm hạn chế công suất
tổn hao khi đóng và ngắt. Giống như BJT, linh kiện IGBT có độ sụt áp khi dẫn điện thấp (∼2?
3V; 1000V định mức) nhưng cao hơn so với GTO. Khả năng chịu áp khóa tuy cao nhưng thấp
hơn so với các thyristor. IGBT có thể làm việc với dòng điện lớn. Tương tự như GTO, transistor
IGBT có khả năng chịu áp ngược cao.
So với thyristor, thời gian đáp ứng đóng và ngắt IGBT rất nhanh, khoảng một vài µs và
khả năng chịu tải đến 4,5kV-2.000A. Hiện nay công nghệ chế tạo IGBT đang được đặc biệt
phát triển để đạt dến mức điện áp vài ngàn Volt (6kV) và dòng điện vài ngàn Amper.
IGBT có khả năng hoạt động tốt không cần đến mạch bảo vệ. Trong trường hợp đặc biệt,
có thể sử dụng mạch bảo vệ của MOSFET áp dụng cho IGBT.
Modul IGBT thông minh (Intelligent Power Modul): được chế tạo bởi công nghệ tích hợp
cao. Trên modul chứa đựng phần tử IGBT, mạch kích lái, mạch bảo vệ, cảm biến dòng điện.
Các modul này đạt độ tin cậy rất cao.
Mạch kích IGBT đượt thiết kế tương tự như mạch kích cho MOSFET. Do giá thành IGBT
cao, và đặc biệt cho công suất lớn, mạch kích lái IGBT được chế tạo dưới dạng IC công nghiệp.
Các IC này có khả năng tự bảo vệ chống quá tải, ngắn mạch, được chế tạo tích hợp dạng modul
riêng (1,2,4,6 driver) hoặc tích hợp trên cả modul bán dẫn (hình thành dạng complex (bao gồm
mạch lái, IGBT và mạch bảo vệ) )
Trên bảng 2.1 mô tả thông số một số linh kiện IGBT gồm: điện áp định mức, dòng điện
định mức, độ sụt áp khi dẫn điện (VTM) và thời gian đáp ứng khi kích dẫn linh kiện (to
n
).
Bảng 2.1: Các thông số đặc trưng của IGBT
Loại
Điện áp định mức lớn nhất
Dòng trung bình định mức
VTM
t
on
(đặc trưng)
Linh kiện rời
HGTG32N60E2
600V
32A
2.4V
0.62 s
HGTG30N120D2
1200V
30A
3.2V
0.58 s
Linh kiện dạng
module
CM400HA-12E
600V
400A
2.7V
0.3 s
CM300HA-24E
1200V
300A
2.7V
0.3 s
Module áp thấp
30V
60A
0.48V
45V
440A
0.69V
150V
30A
1.19V
2.6.5. Một số linh kiện khác
2.6.5.1. MTO (Mos Turn Off Thyristor)
Linh kiện MTO thyristor được phát triển bởi hãng SPCO (Silicon Power Coperation)
trên cơ sở công nghệ GTO và MOSFET. Chúng khắc phục các nhược điểm của GTO liên quan
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
22
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
đến công suất mạch kích, mạch bảo vệ và các hạn chế của tham số dv/dt. Không giống như
IGBT tích hợp cấu trúc MOS phủ lên toàn bộ tiết diện bán dẫn, MTO đặt MOS FET trên
phiến silicon.
Khả năng chịu tải:
MTO thích hợp sử dụng cho các truyền động công suất lớn, điện áp cao (>3kV cho đến
10kV), dòng điện lớn hơn 4000A, độ sụt áp thấp (thấp hơn so với IGBT) và cho công suất tải
trong phạm vi 1MVA đến 20MVA do khả năng điều khiển đơn giản và chịu được áp khóa
lớn. MTO có thể sử dụng cho các thiết bị điều khiển công suất trong hệ thống điện (FACTS
Controller) làm việc trên nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM. Các nguồn điện dự phòng
công suất lớn (UPS) cũng là một hướng áp dụng của MTO. Khả năng điều khiển cắt nhanh và
dễ dàng của MTO làm cho nó có thể ứng dụng thuận lợi làm các thiết bị cắt dòng điện DC và
dòng điện AC.
2.6.5.2. ETO (Emitter Turn Off Thyristor)
Giống như MTO, ETO được phát triển trên cơ sở kết hợp các công nghệ của GTO và
MOSFET. ETO được phát minh bởi Trung tâm điện tử công suất Virginia (Virginia Power
Electronics Center) hợp tác với hãng SPCO.
2.7. SO SÁNH KHẢ NĂNG HỌAT ĐỘNG CỦA CÁC LINH KIỆN
Khả năng họat động của các linh kiện bán dẫn công suất được so sánh theo hai khía cạnh
công suất mang tải và tốc độ đóng ngắt.
Linh kiện GTO công suất lớn được sản xuất với khả năng chịu được điện áp/dòng điện
từ 2,5-6kV/1-6kA. GTO còn được chế tạo chứa diode ngược với tổn hao thấp, khả năng chịu
điện áp/ dòng điện của nó đạt đến 4,5kV/3kA.
Linh kiện GCT đươc chế tạo gần đây có khả năng chịu được điện áp/dòng điện 6kV/6kA
với khả năng chuyển mạch gần như toàn bộ dòng điện sang mạch cổng khi kích ngắt. Cảm
kháng mạch cổng giảm đến 1/100 so với loại GTO thông thường, cho phép tốc độ tăng dòng
điện cổng khi kích ngắt đến di
GQ
/dt = 6.000A/ s. Thời gian lưu trữ ts giảm còn khoảng 1/10
so với của GTO. Các tính chất cho phép GCT rất thuận tiện khi mắc song song hoặc nối tiếp
và khả năng điều khiển đóng ngắt công suất lớn ngay cả không sử dụng mạch bảo vệ.
Các diode cho nhu cầu thông thường đươc chế tạo với khả năng chịu được điện áp thay
đổi từ 500V đến 4kV và dòng điện từ 60A đến 3,5kA. Đối với nhu cầu đóng ngắt nhanh khả
năng dòng đạt đến 800-1.700A và điện áp 2.800-6.000V,
Các thyristor cho nhu cầu thông thường đươc chế tạo với khả năng chịu được điện áp
thay đổi từ 400V đến 12kV và dòng điện từ 1000A đến 5kA. Đối với nhu cầu đóng ngắt nhanh,
khả năng dòng đạt đến 800-1.500A và điện áp 1.200-2.500V,
Các linh kiện IGBT dạng modul được chế tạo với khả năng chịu được điện áp/ dòng điện
1,7-3,3kV/400-1.200A. Khả năng chịu điện áp cao của IGBT (HVIGB module) gần đây đã
đạt đến 6kV. Các linh kiện chế tạo dạng modul tạo thuận lợi cho việc lắp đặt, kết nối mạch
và làm giảm kích thước, trọng lượng của hệ thống công suất.
2.8. VẤN ĐỀ LÀM MÁT VAN BÁN DẪN
lOMoARcPSD|37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
23
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Khi chọn van ta phải chú ý đến điều kiện làm mát cho van vì khi hoạt động, van toả nhiệt
rất lớn nên điều kiện làm mát cho van sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả cũng như tuổi thọ của van.
Nếu van hoạt động trong điều kiện được làm mát bằng không khí nhờ cánh tản nhiệt thì van có
thể làm việc tốt với 25% dòng định mức. Nếu van làm việc trong điều kiện làm mát bằng quạt
gió cưỡng bức thì van có thể chịu được đến 30 60% dòng định mức. Nếu làm mát bằng nước
thì van có thể chịu được đến 80% dòng định mức.
Ngoài ra khi sử dụng cần luôn phải chú ý đến việc bảo vệ quá dòng, áp cho van bán dẫn.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
24
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Khi dùng cách mắc nối tiếp các van thì phải dùng các van có cùng các thông số kỹ thuật
và phải mắc song song với mỗi van một điện trở phân áp r
pa
hoặc một tụ phân áp C
pa
như Hình
3.1, để san bằng điện áp ngược cho các van.
Itb tÝnh to¸n
nss 11 12, , (3.2)
I®m
Khi dùng cách mắc song song phải sử dụng các van có các thông số kỹ thuật giống nhau
và phải mắc nối tiếp với mỗi van một điện trở phân dòng r
pd
như Hình 3.2, để hiệu chỉnh dòng
đồng đều giữa các van.
D
1
r
pd
Hình 3.2: Cách mắc
song song các van nắn r
pd
chọn theo
điềukiện: r
pd
> r
v
.
r
v
: điện trở thuậncủa van,
được tính
bằng: r
v
U
I®m
Ngày nay đã sản xuất được các van bán dẫn có I
đm
= 1600A, nên việc mắc song song các
van trong 1 bộ chỉnh lưu là không cần thiết, khi cần dòng tải lớn người ta thực hiện mắc song
song nhiều bộ chỉnh lưu.
3.2. CÁC DẠNG MẠCH CHỈNH LƯU CƠ BẢN
3.2.1. Chỉnh lưu một pha không điều khiển
Chỉnh lưu một pha không điều khiển là các bộ chỉnh lưu làm việc với điện áp xoay chiều
một pha và các van nắn là diode, do đó điện áp một chiều đầu ra không điều khiển được.
r
pd
r
pd
D
2
Dn
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
25
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Các bộ chỉnh lưu một pha là các bộ chỉnh lưu với công suất vừa và nhỏ, thường không
quá 15 kW. Các bộ chỉnh lưu có công suất lớn thường dùng chỉnh lưu 3 pha để không làm mất
cân bằng các pha điện lưới.
3.2.1.1. Chỉnh lưu 1 pha nửa sóng
Với bộ chỉnh lưu kiểu nửa sóng (hoặc chỉnh lưu nửa chu kỳ) thì điện áp xoay chiều đầu
vào bộ chỉnh lưu có thể lấy thẳng từ điện lưới hoặc thông qua biến áp như Hình 3.3a, b.
Nếu tải cần cách ly với điện mạng và điện áp một chiều trên tải khác xa với điện áp mạng
thì phải dùng biến áp (Hình 3.3b).
Hình 3.3 :
Sơ a D i0 + a D i0 + đồ
u R
t
R
St
a) Không dùng biến áp b) Dùng biến áp
chỉnh lưu một pha nửa sóng
a) Xét với tải thuần trở (Hình 3.3a, b) Điện
áp nguồn đặt vào bộ chỉnh lưu là u
s.
u
s
U sin t
M
Diode D làm nhiệm vụ chỉnh lưu, R
t
là tải của bộ chỉnh lưu , có tính thuần trở.
Giả sử nửa chu kỳ đầu của điện áp nguồn u
s
,
t = 0 là bán chu kỳ dương của u
s
nên D
thông vì phân cực thuận nên có dòng i
0
qua tải.
Nửa chu kỳ sau của u
s
, khi t = 2 là bán chu kỳ âm của u
s
nên D ngắt do phân cực
ngược, không có dòng qua tải, i
0
= 0 và u
0
= 0, tại bán chu kỳ này diode D chịu điện áp ngược.
Nếu bỏ qua tổn hao trên diode D và nguồn, ta có các dạng sóng đầu vào, đầu ra của bộ
chỉnh lưu, dòng điện, điện áp ngược trên diode trên hình 3.3c.
Hình 3.3c: Các dạng sóng của bộ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng tải trở
u
0
u
2
u
1
b
b
u
0
~
u
s
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
26
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
U
Như vậy, chỉ có bán chu kỳ dương của điện
áp vào (u
s
) diode D mới dẫn, do đó mới có dòng
và áp trên tải, còn bán chu kỳ âm của u
s
thì diode
D khóa, vì vậy dòng và áp trên tải bằng không.
Vậy trong 1 chu kỳ của điện áp mạng, chỉ có 1
xung dòng qua tải. Gọi số xung dòng qua tải trong
1 chu kỳ của điện áp mạng là m; chỉnh lưu 1 pha
nửa sóng , m = 1. Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu
là một chiều nhưng ngắt quãng, tần số của điện
áp gợn sóng (Ripple) trên tải là: f
g
= m.f = 50Hz.
Điện áp trên tải u
0
, dòng tải i
0
là xung, nên phân tích theo Fourier ta có:
u0 U0 u0~
n 135, , ..
i0 I0 i0~
n 135, , ...
Trong đó: U
0
, I
0
là thành phần một chiều (giá trị trung bình) của điện áp và dòng tải, còn
u
0~
và i
0~
là các thành phần xoay chiều của điện áp, dòng trên tải, ta gọi là các hài,
n 135, , ... n 135, , ... các thành phần xoay chiều gây nên độ gợn sóng (Ripple) (hay còn gọi là độ đập
mạch) của điện áp trên tải.
Bỏ qua tổn hao trên diode và nguồn, ta tính được trị số điện áp một chiều trên tải theo
công thức:
mT
U
0
T
0
u t dt
s
(3.3)
Với sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng, u
0
= 0 khi T/2 t T nên công thức (3.3) trong
trường hợp này là:
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
27
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
mT T
U0
UMT cos T 1 U sinM
t dt 2
0
do f = 1/T và = 2 f, nên
U
Ut T1 T/ 2 2 U2M 05, UM
U sin t dtM
0
- Trị số hiệu dụng của dòng tải:
U 05, U
I
t
hdt M
Rt Rt
- Trị số hiệu dụng của các thành phần xoay chiều trên tải.
(3.5)
U0 Ut2 U02 (3.6)
- Tỷ số của điện áp hiệu dụng trên tải với điện áp một chiều trên tải gọi là hệ số dạngsóng,
được ký hiệu là.
U
t
d (3.7)
U
0
- Tỷ số giữa điện áp hiệu dụng của các thành phần xoay chiều trên tải U
0
với thành phần
một chiều trên tải U
0
, gọi là hệ số gợn sóng, được ký hiệu là g.
U
d (3.9)
U
0
M
0318, .U
M
045, U
U 0318,.U 045,U
I0 0 M
Rt Rt Rt
U là trị số hiệu dụng của u
s
.
- Trị số hiệu dụng của điện áp trên tải.
(3.4)
g 0
U
0
Từ biểu thức (3.6) và (3.8) ta suy ra:
(3.8)
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
28
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
- Hiệu suất chỉnh lưu: là tỷ số của công suất một chiều trên tải P
0
với công suất hiệu dụng
trên tải P
t
.
P
0
(3.10)
P
t
P
t
là công suất hiệu dụng trên tải.
b) Với tải dung tính (hình 3.4a)
Khi đầu ra của bộ chỉnh lưu ta mắc một tụ C, có trị số sao cho:
1
X
c
R
t
m c
ở đây m =1, thì tải của bộ chỉnh lưu được coi là mang tính dung (hình 3.4a).
D i uC
a)
i
0
b)
Hình 3.4: Sơ đồ chỉnh lưu 1pha nửa sóng tải dung tính (a)
và dạng điện áp trên tải, thời gian dẫn của diode D (b)
Với điều kiện X
C
<< R
t
thì tất cả các thành phần xoay chiều của dòng chính lưu i
0~
sẽ
được nối tắt qua tụ C, qua tải chỉ có thành phần một chiều I
0
.
Vì sự có mặt của tụ C nên khi D thông, C được nạp với hằng số thời gian nạp
uC
C n
ạ
pC phóng
U
0
I
0
2
t
t
2
Rt
Us
0
I
0
U
0
C
i
0
+
UM
rS
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
29
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
n
= (r
S
+ r
D
)C, khi D ngắt, C phóng qua tải với hằng số thời gian phóng:
p
= R
t
C. Vì nội trở
nguồn r
s
và điện trở thuận của diode D là r
D
rất nhỏ so với trở tải: (r
S
+r
D
) << R
t
nên
n
<<
p
,
nghĩa là trong 1 chu kỳ điện mạng thời gian tụ C được nạp rất nhỏ so với thời gian tụ C phóng
qua tải nên điện áp trên tải biến đổi rất ít. Diode D chỉ thông khi điện áp dương tức thời của
nguồn u
s
đặt trên anốt của nó vượt điện áp u
c
nên xuất hiện góc cắt của xung dòng i
0
, 2 là
thời gian thông của diode D. phụ thuộc r
s
; r
D
và R
t
. 3 r
s
r
D
(3.11)
R
t
Điện áp một chiều trên tụ C (trên tải) được tính bằng:
U
c
U
0
U cos
M
(3.12)
Khi hở tải (R
t
= ) = 0 và U
0hm
=U
M
U
0hm
là điện áp một chiều trên tải khhi hở Rt.
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode D trong trường hợp hở tải (R
t
= ) là:
UD ng max 2UM 2 2U (3.13)
Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng có ưu điểm là đơn giản nhưng nhược điểm lớn là:
Hệ số gợn sóng g lớn, tần số gợn sóng nhỏ f
g
= 50Hz = f mạng nên khó lọc san bằng và
dòng trung bình qua van nắn lớn I
tbv
= I
o
nên sơ đồ chỉnh lưu loại này rất ít được dùng trong các
thiết bị điện tử và trong công nghiệp, nhưng là cơ sở để ta hiểu nguyên lý vận hành của bộ chỉnh
lưu.
3.2.1.2. Chỉnh lưu 1 pha toàn sóng
1) Chỉnh lưu 1 pha toàn sóng với thứ cấp biến áp có điểm giữa a)
Tải thuần trở (hình 3.5a)
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
30
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
b)
Hình 3.5: Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha toàn sóng thứ cấp biến áp có điểm giữa với
tải trở (a) và dạng sóng đầu vào, ra điện áp ngược trên diode (b).
Biến áp 1 pha với thứ cấp ra điểm giữa tạo ra 2 điện áp xoay chiều u
2a
, u
2b
có biên độ bằng
nhau và ngược pha nhau đặt vào 2 diode, khiến chúng thay nhau làm việc trong cả chu kỳ. Như
vậy mỗi nửa thứ cấp biến áp cùng với 1 diode liên kết là một sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng.
Do đó đây là 2 sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng mắc nối tiếp làm việc lệch nhau 180
0
(hình 3.5).
Giả sử khi t = 0 , u
2a
ở bán chu kỳ dương thì D
1
thông, D
2
khóa, có dòng i
2a
từ a
D
1
R
t
0.
Khi t = 2 , u
2b
là bán chu kỳ dương thì D
2
thông , D
1
khóa, có dòng i
2b
từ b D
2
R
t
0.
Dòng qua tải trong 1 chu kỳ: i
0
= i
2a
+ i
2b
là 2 xung dòng một chiều, m = 2. Tần số gợn
sóng của điện áp trên tải f
g
= 2f =100 Hz. Điện áp trên tải: u
0
i R
0 t
U
0
u
0
, u
0
bao
n 24, ... gồm thành
phần một chiều U
0
và vô số các thành phần xoay chiều từ bậc 2, 4... trở lên. Nếu bỏ qua tổn
hao trên biến áp và diode ta có:
2 T/2
2U
T/2
Ut T2 U2M sin t dt 2 U22M U2 (3.16)
0
Từ (3.7) và (3.9) ta tính được hệ số dạng sóng (FF) và hệ số gợn sóng (G) của sơ đồ chỉnh
lưu 1 pha toàn sóng:
U
t
U
2
111, d
U
0
09, U
2
g d
2
1 0482 , hoặc 48,2%.
U U sin t.dt
2M
09, U
(3.14)
0
2
M
T
0
Dòng một chiều qua tải:
2
U 09, U I
0
0
2
Rt Rt
Điện áp hiệu dụng trên tải:
(3.15)
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
31
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode là: 2U
2M
.
Các dạng sóng của điện áp vào, dòng chỉnh lưu và điện áp sau chỉnh lưu với tải thuần trở
vẽ trên hình 3.5b.
b) Tải dung tính (hình 3.6a)
1
Khi có C // R
t
và giá trị của C sao cho X
c
R
t
với sơ đồ hình 3.6a thì (m=2), ta
m c
sẽ được bộ chỉnh lưu tải dung (hình 3.6a). Khi có C, các thành phần xoay chiều của điện áp sau
nắn i
0~
sẽ được nối tắt qua tụ C, qua tải R
t
là thành phần một chiều I
0
.
Khi tải dung tính thì các diode chỉ thông khi giá trị dương tức thời của điện áp thứ cấp
đặt vào anốt của chúng vượt giá trị u
c
, mỗi diode chỉ thông trong thời gian 2 < 180
0
, là góc
cắt của xung dòng, giá trị phụ thuộc tỷ số của tổng trở biến áp và diode với điện trở tải.
a) b)
Hình 3.6: Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha toàn sóng thứ cấp biến áp có điểm
giữa với tải dung (a) và dạng sóng trên tải (b)
Dạng sóng điện áp trên tải và xung dòng chính lưu như hình 3.6 (b).
- Điện áp một chiều trên tải:
U
0
U
2M
cos 2U cos
2
(3.17)
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode:
UD ng max 2U2M 2 2U2 (3.18)
c ) Tải tính cảm (Hình 3.7a)
Khi ta mắc nối tiếp với tải một cuộn chặn L
ch
, cuộn chặn có trị số điện cảm L
ch
sao cho X
L
ch
m L
ch
R
t
và điện trở thuần cuộn chặn r
L
ch
R
t
, ta sẽ có bộ chỉnh lưu tải cảm, và khi có L
ch
thì thường có tụ lọc C// R
t
, để loại bỏ triệt để các thành phần xoay chiều của điện áp gợn sóng.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
32
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Với chỉnh lưu có cuộn chặn L
ch
, các thành phần xoay chiều của dòng chính lưu sẽ bị tổn hao
hết trên L
ch
, trên tải R
t
chỉ có thành phần một chiều I
0
, U
0
như hình 3.7b.
Bỏ qua tổn hao trên biến áp và diode, ta được điện áp một chiều trên tải theo công thức:
2
Điện áp một chiều trên tải: U
0
U
2M
09, U
2
U
0
09, U
2
Dòng một chiều trên tải: I
0
(3.19)
Rt Rt
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode: U
D ng î c max
2U
2M
2 2U
2
a)
b)
t
Hình 3.7: Chỉnh lưu 1 pha toàn sóng tải cảm (a) và dạng sóng
điện áp đầu vào, đầu ra của bộ chỉnh lưu và trên tải (b).
So với sơ đồ chỉnh lưu 1 pha không điều khiển nửa sóng dùng biến áp thì sơ đồ chỉnh lưu
1 pha toàn sóng thứ cấp biến áp có điểm giữa có những ưu điểm:
Trong biến áp không có thành phần một chiều nên lõi biến áp không bị bão hòa do
dòng một chiều gây nên.
Biến áp làm việc 2 lần trong 1 chu kỳ, nên hiệu suất sử dụng biến áp cao.
Tần số gợn sóng f
g
= 2f = 100Hz (điện áp gợn sóng chỉ chứa các hài chẵn) nên lọc
san bằng dễ hơn, với cùng yêu cầu hệ số gợn sóng (g) trên tải như nhau thì chỉnh
lưu 1 pha toàn sóng có trị số các linh kiện lọc chỉ bằng một nửa của chỉnh lưu 1 pha
nửa sóng.
Với tải trở và cảm, điện áp một chiều ra lớn và dòng trung bình qua diode nhỏ.
I0
Itbv
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
33
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
2
Nhược điểm là: Điện áp ngược đặt lên van lớn và phải có biến áp nguồn.
2) Chỉnh lưu cầu 1 pha (hình 3.8)
Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha gồm: nguồn xoay chiều đầu vào (có thể dùng biến áp 1 pha
hoặc không), 4 diode nối theo sơ đồ cầu, và tải với 3 loại tải khác nhau.
a i
Hình 3.8: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha với các tải khác nhau
Khi nửa chu kỳ dương của u
2
, ứng với a(+), b(-), D
1
, D
3
thông, có dòng i
2a
từ a D
1
tải
D
3
b. Nửa chu kỳ âm của u
2
, ứng với b(+), a(-), D
2
, D
4
thông, có dòng i
2b
từ b D
2
tải
D
4
a.
Trong 1 chu kỳ của điện áp u
2
, dòng tải i
0
= i
2a
+ i
2b
, số xung dòng qua tải m = 2; f
g
= 2f.
Các dạng sóng của điện áp, dòng điện trên tải của sơ đồ cầu 1 pha giống như sơ đồ chỉnh
lưu 1 pha với thứ cấp biến áp có điểm giữa.
- Với tải trở và cảm:
2
Điện áp một chiều trên tải: U
0
2U cos
2
(3.21)
Điện áp một chiều trên tải: U
0hm
2U
2
(R
t
= = 0)
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode: U
D ngmax
U
2M
2U
2
3.2.2. Chỉnh lưu ba pha không điều khiển
Điện áp một chiều trên tải: U
0
U
2M
09, U
2
- Với tải dung:
(3.20)
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
34
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Các sơ đồ chỉnh lưu 3 pha làm việc với mạng điện 3 pha. Đây là các bộ chỉnh lưu công
suất lớn, thường có công suất lớn hơn 15 kW.
3.2.2.1. Bộ chỉnh lưu 3 pha nửa sóng
Sơ đồ chỉnh lưu kiểu này cũng có thể dùng biến áp hoặc không, tùy theo các yêu cầu của
tải.
Nếu không dùng biến áp, thì sơ đồ làm việc trực tiếp với điện áp mạng 3 pha có dây trung
tính.
Nếu sơ đồ cần có biến áp cách ly, thì các cuộn sơ cấp của biến áp 3 pha có thể nối theo
hình sao hoặc tam giác, tùy theo điện áp mạng và điện áp danh định của cuộn sơ cấp. Còn 3
cuộn thứ cấp phải nối theo hình sao có dây trung tính (hình 3.9a).
Điện áp các pha lệch nhau 1 góc 2 /3. Như vậy sẽ suất hiện những khoảng thời gian điện
áp 2 pha kế cận có cùng giá trị (tại t = /6, 5 /6, 3 /2...), do đó 1 diode bất kỳ của pha nào
muốn thông thì điện áp dương đặt vào anốt của diode pha đó phải vượt điện áp các pha khác.
Vậy tại mỗi khoảng thời gian chỉ có một diode thông. Mỗi diode thông liên tục trong thời gian
2 /3.
Trên hình 3.9b vẽ dạng sóng điện áp nguồn u2a, u2b, u2c, điện áp sau nắn, thời gian dẫn
của các diode và điện áp ngược đặt lên các diode với tải thuần trở.
Một chu kỳ điện áp mạng, sơ đồ làm việc 3 lần với tải, có 3 xung dòng qua tải, m = 3, tần
số gợn sóng của điện áp sau nắn f
g
= 3f.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
35
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
* Với tải trở và tải cảm và bỏ qua tổn hao trên biến áp, diode:
m
/m
m
- Điện áp một chiều trên tải: U
0
U
2M
cos t.d t U
2M
sin
m
Với m = 3: U
0
3 3U
2M
117, U
2
(3.22)
2
- Điện áp hiệu dụng đặt trên tải là:
/m
Ut m U22mcos2 t.d t U2M 2m m 12sin2m
0
Với m = 3, ta có:
Ut U2M
- Hệ số dạng sóng:
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và
lọc điện
36
Downloaded by Jiisaa
Miliana
(milihisa22@gmail.com)
U
23 3 2 1sin23 084,U2M 119, U2 (3.23)
d
t
102, hay 102% U
0
- Hệ số gợn sóng:
g d
2
1 102 1 02 20 ,
2
, %
* Với tải dung tính, bỏ qua tổn hao trên biến áp diode:
- Điện áp một chiều trên tải: U
0
U
2M
2U
2
(3.24)
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode là:
UD ng max 3U2M 6U2 21, U0
(3.25)
3.2.2.2. Bộ chỉnh lưu 3 pha cầu (3 pha toàn sóng)
Đây là kiểu chỉnh lưu rất phổ biến trong các bộ nguồn công suất lớn. Kiểu chỉnh lưu này
có thể vận hành với biến áp hoặc không, tùy theo yêu cầu của tải . Nếu vận hành với biến áp
thì các cuộn thứ cấp nối hình sao không dây trung tính như hình 3.10. Điện áp 3 pha đặt vào bộ
chỉnh lưu là điện áp dây:
u
ab
3u
2a
3U
2M
sin t
ubc 3u2b 3U2M sin t 23
uca 3u2c 3U2M sin t 23
1) Với tải thuần trở
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
37
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 3.10: Chỉnh lưu cầu 3 pha
Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha dùng 6 diode, được chia làm 2 nhóm; Nhóm I gồm D
1
, D
3
, D
5
chỉ làm việc khi các đầu a, b, c dấu dương, còn các diode nhóm II (D
4
, D
6
, D
2
) làm việc khi
điện áp tại các đầu a, b, c dấu âm. Tại bất cứ thời điểm nào, dòng điện chỉnh lưu cũng thông
liên tiếp qua 2 diode thuộc 2 nhóm khác nhau. Thời gian làm việc của mỗi diode nhóm này sẽ
lần lượt làm việc với 2 diode của nhóm kia. Các dạng sóng và thời gian dẫn của các diode như
trên hình 3.11.
Hình 3.11: Các dạng sóng và các thời gian dẫn của các diode
Vậy mỗi chu kỳ điện áp mạng có 6 xung dòng qua tải m = 6, tần số gợn sóng f
g
= 6f.
Mỗi diode thông liên tục trong thời gian 2 /3.
Bỏ qua tổn hao trên biến áp và diode, ta có điện áp một chiều trên tải:
/6
6 3 3
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
38
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
U
0
3U
2M
cos t.d t
U
2M
234, U
2
(3.26)
0
Từ (3.22) và (3.26) ta thấy sơ đồ 3 pha cầu là 2 sơ đồ 3 pha nửa sóng mắc nối tiếp và làm
việc lệch nhau 180
0
.
- Trị số của điện áp hiệu dụng trên tải:
U
t
6 /6 3U 2cos2 t.d t
2M
0
(3.27)
3 9 3
U
2M
16554, U
2M
2 4
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode là:
UD ngmax 3U2M 6U2 245, U2 (3.28)
2) Với tải dung
Bỏ qua tổn hao trên biến áp và diode, ta có điện áp một chiều trên tải:
U
0
3U
2M
245, U
2
(3.29)
3) Với tải cảm
Các giá trị điện áp giống như tải điện trở.
Dòng trung bình qua mỗi diode với các loại tải:
I0 U0
Itbv (3.30)
3 3R
t
+ Sơ đồ này có ưu điểm:
- Nếu dùng với biến áp vào, thì trong các cuộn dây biến áp không có dòng một
chiều,nên lõi sắt không có tổn hao một chiều, hiệu suất biến áp cao.
- Điện áp một chiều cao.
- Tần số gợn sóng lớn, hệ số gợn sóng rất nhỏ nên dễ lọc san bằng.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
39
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
- Dòng trung bình qua diode nhỏ.
Nên các bộ chỉnh lưu 3 pha đều dùng sơ đồ cầu.
3.2.3. Chỉnh lưu một pha có điều khiển
Các bộ chỉnh lưu có điều khiển là các bộ chỉnh lưu có van nắn là thyristor. Do thyristor
muốn thông phải có tín hiệu kích khởi (mở cổng), vì vậy ta có thể điều chỉnh độ dịch pha giữa
tín hiệu kích khởi với điện áp mạng, nhờ đó mà điện áp một chiều đầu ra bộ chỉnh lưu điều
chỉnh được.
3.4.1. Bộ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng có điều khiển với tải thuần trở
Chúng ta hãy xem xét sơ đồ hình 3.12(a):
Sơ đồ có thể dùng biến áp hoặc không, 1 thyristor với tải bộ chỉnh lưu là thuần trở. Khối
điều khiển tạo ra chuỗi xung kích khởi thyristor, mà góc lệch pha giữa xung kích khởi U
ĐK
với
điện áp vào U
2
có thể điều chỉnh được.
Khi t = 0 là nửa chu kỳ dương của U
2
, a (+), b (-), T
1
được phân cực thuận, nhưng
T
1
chưa thông ngay tại t = 0 vì chưa có xung điều khiển, mà T
1
thông tại t = . T
1
thông từ
. Trong thời gian này có dòng i
T
1
qua tải, đến t = , T
1
tắt vì U
2
đổi cực, bắt đầu sang bán
chu kỳ âm, và i
T
1
= 0 các dạng sóng của U
2
, U
ĐK
, u
0
, i
T
1
(i
0
) và điện áp đặt trên thyristor như sơ đồ
hình 3.12(b), thời gian từ khi bắt đầu bán chu kỳ dương cho đến khi thyristor được kích khởi
tại t = , được gọi là thời gian trễ; và được gọi là góc trễ hay góc dịch pha, hay góc kích
khởi. Sơ đồ hình 3.12 có điện áp ra và dòng tải là ngắt quãng, 1 chu kỳ có 1 xung dòng qua tải
nên m = 1 và tần số gợn sóng f
g
= f.
- Bỏ qua tổn hao trên các linh kiện, ta có điện áp một chiều U
0
trên tải:
m
U
2M
1 cos
(3.31)
U
0
2 U
2M
sin t.d t
2
U
2M
đến
Nếu điều chỉnh cho biến đổi từ 0 , ta có: U
0
biến đổi từ U
0 max
U0 min 0.
- Giá trị điện áp hiệu dụng trên tải:
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
40
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Ut
2
1
U2
2
M sin
2
t.d t
(3.32)
U2M 1 sin2
= 2
Hình 3.12:
a) Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng có điều
khiển với tải trở. b) Các dạng sóng của sơ
đồ.
Sơ đồ chỉnh lưu này có hiệu suất thấp, có hệ số gợn sóng cao, tần số gợn sóng thấp, nên
trong các bộ nguồn viễn thông không dùng kiểu chỉnh lưu này.
3.4.2. Chỉnh lưu một pha toàn sóng có điều khiển
Nếu là chỉnh lưu 1 pha có điều khiển thì trong thực tế thường dùng sơ đồ một pha toàn
sóng có điều khiển như 2 sơ đồ hình 3.13(a) hoặc (b).
Hai sơ đồ chỉnh lưu 1 pha toàn sóng có điều khiển trên hình 3.13 có nguyên lý hoạt động
như nhau. Khối điều khiển tạo ra các xung điều khiển để mở các thyristor T
1
, T
2
. Góc dịch pha
giữa xung điều khiển với điện áp dương của u
2
trên anốt mỗi thyristor có thể điều chỉnh được
nhờ bộ quay pha trong khối điều khiển. Độ gợn sóng của điện áp ra của sơ đồ chỉnh lưu có điều
khiển là lớn nên nhất thiết phải sử dụng mắt lọc đầu tiên là LC. Diode bù D mắc trước cuộn
Kh
ố
i
đ
i
ề
u
khi
ể
n
a
b
T
1
uT
1
U
1
U
2
u
0
Rt
a)
i
0
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
41
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
chặn theo hướng ngược, có tác dụng duy trì dòng điện chạy qua tải là liên tục ngay cả trong
những khoảng thời gian không có thyristor nào thông.
Cuộn chặn L
ch
có giá trị điện cảm Lch sao cho X
L
ch
2 L
ch
R
t
, và điện trở thuần tổn hao
của cuộn chặn r
L
ch
R
t
.
Hình 3.13: Các sơ đồ chỉnh lưu
1 pha toàn sóng có điều khiển.
a) Sơ đồ với thứ cấp biến áp có
điểm giữa. b) Sơ đồ cầu.
Với điều kiện của cuộn
chặn như vậy, cùng với diode bù D ta được dòng và áp trên tải là một chiều thuần túy.
Nguyên lý làm việc của sơ đồ chỉnh lưu được mô tả bằng các dạng sóng trên hình 3.14.
Khi bắt đầu bán chu kỳ dương của u
2
đặt vào anốt của T
1
, nhưng T
1
chưa thông ngay từ
t = 0, vì chưa có xung điều khiển, đến t , có xung điều khiển, T
1
mới thông. Khi T
1
thông
có dòng i
T
1
chạy qua L
ch
và tải, cuộn chặn L
ch
được tích lũy năng lượng dưới dạng từ, diode bù
D lúc này phân cực ngược, T
1
thông từ t , khi t = ; T
1
ngắt vì u
2
= 0 và bắt đầu bán
chu kỳ âm của u
2
. Khi T
1
tắt nhưng T
2
chưa thông vì chưa có xung điều khiển, dòng i
T
1
qua L
ch
mất đột ngột làm xuất hiện trên L
ch
một sức điện động tự cảm có dấu (+) bên phải L
ch
và dấu (-
) bên trái L
ch
khiến diode bù D được phân cực thuận nên thông, xuất hiện dòng i
D
do L
ch
phóng
qua tải, qua diode D, làm cho dòng I
0
qua tải liên tục. Diode D sẽ thông cho đến t thì
T
2
thông, lại có dòng i
T
2
qua L
ch
, qua tải và L
ch
lại được tích năng lượng. T
2
thông cho đến t =
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
42
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
2 , u
2
= 0, kết thúc 1 chu kỳ của điện áp mạng, và khi T
2
tắt thì D lại thông, xuất hiện dòng i
D
qua tải, D thông cho đến khi T
1
thông.
Hình 3.14: Các dạng sóng của sơ đồ
chỉnh lưu 1 pha toàn sóng có điều khiển.
Qua đồ thị dạng sóng trên hình 3.14 ta thấy dòng qua tải I
0
i
T
1
i
D
i
T
2
là liên tục và bằng
phẳng, khiến điện áp một chiều trên tải là liên tục.
Bỏ qua tổn hao trên biến áp, diode và cuộn chặn L
ch
ta có điện áp một chiều ra trên
tải:
U
0
2m U
2M
sin t.d t U
2M
1 cos 09, U
2
1
cos
2
(3.33)
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
43
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Khi ta điều chỉnh cho biến đổi từ 0 ta sẽ được điện áp một chiều trên tải biến đổi từ
U0 max 09, U2 đến U0 min 0. - Điện áp hiệu dụng trên tải:
m
2
sin
2
Ut 2 U
2M
t.d t
(3.34)
=
U22M 1 sin22
3.2.4. Chỉnh lưu ba pha có điều khiển
3.4.3. Chỉnh lưu 3 pha nửa sóng có điều khiển
Các bộ chỉnh lưu 3 pha có điều khiển, cung cấp điện áp một chiều trên tải cao, giải điều
chỉnh của điện áp một chiều rộng, tần số gợn sóng của điện áp đầu ra lớn do đó độ gợn sóng
nhỏ so với các bộ chỉnh lưu có điều khiển 1 pha. Do đó các bộ chỉnh lưu 3 pha có điều khiển
thường được sử dụng nhiều trong các bộ nguồn công suất cao và giải điều chỉnh điện áp rộng.
Bộ chỉnh lưu 3 pha nửa sóng có thể dùng biến áp hoặc không, nếu dùng biến áp thì các
cuộn thứ cấp phải nối hình sao có dây trung tính như hình 3.15.
Hình 3.15: Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha nửa sóng có điều khiển.
Bộ chỉnh lưu có điều khiển yêu cầu tải tính cảm cao nên cuộn chặn L
ch
có giá trị sao cho:
X
L
ch
3 L
ch
R
t
;với diều kiện này thì dòng qua tải là liên tục và bằng phẳng. Với sơ đồ này thì
mỗi thời điểm chỉ có 1 thyristor thông. Khi thyristor nào thông là điện áp dương đặt lên anốt
của nó vượt điện áp dương của pha kế cận và được kích khởi, nói cách khác thyristor nào thông
thì nó được phân cực thuận và được kích khởi. Như vậy T
1
không thông tại /6 mà thông tại
/6 + . Khi đó có dòng i
a
qua tải. T
1
thông đến khi T
2
được kích khởi tại 5 /6 + thì T
1
tắt vì
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
44
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
lúc này điện áp dây u
ab
(= u
a0
-
u
b0
) là âm, T
1
phân cực ngược.
T
2
thông có dòng i
b
qua tải. T
2
thông cho dến khi T
3
được kích
khởi tại t = 3 /2 + thì T
2
tắt
vì lúc này u
bc
(= u
b
- u
c
) là âm,
T
2
phân cực ngược. T
3
thông, có
dòng ic qua tải. T
3
thông cho
đến khi T
1
được kích khởi trở lại
và bắt đầu 1 chu kỳ tiếp.
Hình 3.16: Các dạng sóng của
điện áp vào, điện áp sau nắn
và dòng tải của bộ chỉnh lưu 3
pha nửa sóng có điều khiển
với tải cảm.
Hình 3.16 mô tả dạng sóng điện áp vào, điện áp sau nắn, dòng qua các thyristor, dòng tải
và thời gian dẫn của mỗi thyristor.
Ta thấy dòng tải i
0
i
a
i
b
i
c
là liên tục và bằng phẳng vì tải cảm. Tần số gợn sóng của
điện áp sau nắn u
0
là f
g
=3f.
Điện áp một chiều trên tải được tính theo công thức:
5
3
6
3 3
U
0
2 U sin t.d
M
t
2
U cos
M
(3.35)
6
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
45
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
với biến đổi từ 0 90
0
.
Điện áp hiệu dụng trên tải tính theo công thức:
5
U
t
3 6 U sin
M
22 t.d t
2
6 (3.36)
1 3
= 3U
M
cos2
6 8
Bộ chỉnh lưu 3 pha nửa sóng có điều khiển có nhược điểm là trong cuộn thứ cấp biến áp
có thành phần một chiều nên thường ít được sử dụng trong thực tế.
3.4.4. Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển
Bộ chỉnh lưu kiểu này thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp có yêu cầu
công suất cao tới 120 kW. Bộ chỉnh lưu kiểu này cho hệ số công suất cao, góc trễ điều chỉnh
được trong phạm vi rộng từ 0 , do đó điện áp một chiều trên tải điều khiển được trong phạm
vi rộng, ngoài ra độ gợn sóng của điện áp trên tải là không đáng kể.
Sơ đồ bộ chỉnh lưu với tải tính cảm như hình 3.17.
Hình 3.17: Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha cầu bán điều khiển.
Sơ đồ dùng 3 thyristor T
1
, T
2
, T
3
cùng với 3 diode D
2
, D
3
, D
1
làm thành bộ chỉnh lưu cầu
3 pha có điều khiển. Diode bù D để đảm bảo dòng qua tải liên tục khi không có thyristor nào
thông.
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ được mô tả theo đồ thị dạng sóng trên hình 3.17 với góc
= 90
0
. Trong thời gian /6 t < 7 /6, T
1
phân cực thuận vì u
ac
bán chu kỳ dương (u
ac
= u
a0
-
u
c0
) và T
1
được kích khởi tại t = /6 + ,thì T
1
và D
1
dẫn, có dòng i
T
1
từ a T
1
tải
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
46
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
D
1
C. Lúc này D phân cực ngược. Đến t = 7 /6, u
ac
bắt đầu bán chu kỳ âm, T
1
tắt, i
T
1
về
không và D bắt đầu dẫn, dòng i
D
chảy từ phải L
ch
tải D trái L
ch
.
Đến t = 5 /6 + , T
2
được kích khởi và u
ba
= u
b
-u
a
đang ở bán chu kỳ dương nên T
2
và
D
2
thông, có dòng i
T
2
chảy từ b T
2
tải D
2
a, diode bù D lại tắt, T
2
, D
2
thông cho đến t =
11 /6 thì tắt vì điện áp dây u
ba
bắt đầu về bán chu kỳ âm, lúc này D lại thông và có dòng i
D
qua
tải. D thông cho đến t = 9 /6 + , thì T
3
được kích khởi và u
cb
= u
c
- u
b
ở bán chu kỳ dương nên
cả T
3
và D
3
thông, có dòng i
T
3
chảy từ C T
3
tải D
3
b, thời gian i
T
3
chảy thì D lại tắt. T
3,
D
3
thông
cho đến 15 /6 thì tắt.Vì u
cb
trở về chu kỳ âm và D lại dẫn cho đến khi T
1
được kích khởi
ở chu kỳ kế tiếp.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
47
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Vậy trong 1 chu kỳ: i
0
i
T
1
i
T
2
i
T
3
i
D
.
Và trị số I
0
I
T
1
I
T
2
I
T
3
I
D
.
Nếu không có diode bù D thì T
1
, D
1
sẽ phải thông liên tục cho đến khi T
2
được kích khởi
tại t = 5 /6 + và tác dụng của diode bù D do T
1
và D
2
đảm nhiệm.
- Nếu /3 thì mỗi thyristor dẫn với độ lâu là 2 /3 và diode D không có tác dụng.
- Nếu điện áp các pha là:
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
48
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
u
a0
U sin t
M
u
b0
U
sin
M
t 2 3/ u
c0
U sin
M
t 2
3/ Thì các điện áp
dây tương ứng sẽ là:
u
ac
u
a0
u
c0
3U sin
M
t /6 u
ba
u
b0
u
a0
3U sin
M
t 5 6/ u
cb
u
c0
u
b0
3U sin
M
t /2
Trong đó U
M
là điện áp đỉnh của điện áp pha nối theo hình sao.
Ta xét các trường hợp đối với các trị số khác nhau của góc .
+ Khi góc /3 thì điện áp ra sau nắn (u
0
) là không liên tục (như hình 3.18), và điện
áp một chiều U
0
trên tải được tính theo công thức sau:
7 7 3 6 3
6
U
0
2 6 u d
ac
t 2 3U Sin
M
t
6
d t
6 (3.37)
3 3
=
U
1 cos
Ut
3
7
6
2 2
t
6
d t 3U Sin
M
2
6 (3.39)
3 1
2
M
- Điện áp một chiều ra trên tải lớn nhất khi = 0, ta có:
3 3
U0max UM
- Điện áp hiệu dụng trên tải tính theo công thức:
(3.38)
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
49
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
= 3U
M
sin2
4 2
+ Khi /3 thì điện áp ra sau nắn (u
0
) là liên tục.
- Điện áp một chiều trên tải U
0
:
3 5 6 3 3
U
0
2 u d
ac
t 2
U
M
1 (3.40)
6
- Điện áp hiệu dụng trên tải:
U
t
3 5 6 2 2 t 6 d t
2 3U SinM
6 (3.41)
3 1
= 3U
M
sin2
4 2
- Tần số gợn sóng của điện áp sau nắn f
g
= 3f.
3.4.5. Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần
Sơ đồ kiểu chỉnh lưu này trên hình 3.19.
Nguyên lý hoạt động được mô tả trên biểu đồ dạng sóng trên hình 3.20.
Các Thyristor được kích khởi để thông cách nhau /3 và mỗi thyristor thông liên tục
trong thời gian 2 /3 theo thứ tự sau:
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
50
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
T
1
, T
6
thông từ
6
đến
2
, có dòng i
T
16,
qua tải.
T
1
, T
2
thông từ
2
đến
5
6
, có dòng i
T
12,
qua tải.
T
2
, T
3
thông từ
5
2
đến
7
6
, có dòng i
T
23,
qua tải.
T
3
, T
4
thông từ
7
2
đến
11
6
, có dòng i
T
34,
qua tải.
T
4
, T
5
thông từ
11
2
đến
13
6
, có dòng i
T
45,
qua tải.
T
5
, T
6
thông từ
13
6
, có dòng i
T
56,
qua tải.
Vậy 1 chu kỳ có 6 dòng liên tục qua tải, m = 6, tần số gợn sóng f
g
= 6f.
Nếu điện áp các pha là:
u
a0
U sin t
M
u
b0
U
sin
M
t 2 3/ u
c0
U sin
M
t 2
3/
Thì các điện áp dây tương ứng sẽ là:
u
ab
u
a0
u
b0
3U sin
M
t /6 u
bc
u
b0
u
c0
3U sin
M
t /2 u
ca
u
c0
u
a0
3U sin
M
t /2
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
51
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 3.20: Các dạng sóng: điện áp vào, điện áp sau nắn, dòng tải và thời gian
dẫn của các thyristor của sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần
Điện áp một chiều trên tải:
3 2 3 2
U
0
6
u d
ab
t
3U Sin
M
t
6
d t
6 (3.42)
3 3
=U cos
M
Khi biến đổi từ 0 90
0
ta có U
0
biến đổi từ 3 3U
M
đến 0.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
52
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
- Điện áp hiệu dụng trên tải:
U
t
3 2 U Sin2 2 t 6
d t 3 M
6
(3.43)
1 3 3
= 6U
M
cos2
4 8
Sơ đồ này có điện áp U
0
cao, có tần số gợn sóng lớn f
g
6f nên độ gợn sóng của điện
áp sau nắn là rất nhỏ và lọc san bằng đơn giản. Vì vậy sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển
toàn phần được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp có yêu cầu công suất lớn.
3.3. CHỈNH LƯU BỘI ÁP
Còn gọi là chỉnh lưu nhân áp. Khi muốn có điện áp một chiều cao hơn điện áp xoay chiều
đầu vào bộ chỉnh lưu, thì ta dùng chỉnh lưu bội áp.
3.4.1. Chỉnh lưu bội áp nửa sóng
Sơ đồ
a
làm việc với
thông, C
1
được nạp đến giá trị lớn nhất của điện áp U
2
: U
C M
1
U
2M
2U
2
.
Nửa chu kỳ âm của U
2
, a (-); b (+), D
2
thông, C
2
được nạp, điện áp được nạp cho C
2
là:
UC M2 U2M UC1 2U2M 2 2U2 (3.44)
Điện áp một chiều lớn nhất trên tải: U
0M
U
C M
2
Kể
đến tổn hao của biến áp và 2 diode thì:
Giả sử
dương của có
a (+);
+
Hình 3.21: Sơ đồ chỉnh lưu bội áp nửa sóng
nửa chu kỳ
điện áp U
2
ta
b(-); D
1
pha, có thể
điện áp 1
biến áp hoặc
với
dùng
không dùng
biến áp tùy
yêu cầu của
tải.
U
1
D
1
D
2
C
2
+
Rt
b
C
1
U
2
U
0
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
53
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
U
0
2 2U cos
2
(3.45)
Vì trong 1 chu kỳ chỉ có một xung dòng qua tải, nên m = 1; tần số gợn sóng f
g
= f.
1
Các trị số của C
1
, C
2
sao cho: Z
C
12,
C
12,
R
t
.
Để có được điện áp một chiều nắn ra trên tải gấp n lần U
0
của sơ đồ hình 3.21 mà không
cần tăng tương ứng U
2
, ta sử dụng cách ghép n tầng như sơ đồ hình 3.22.
U0 n tÇng n.U1 tÇng
Hình 3.22: Sơ đồ bội áp 1 pha nửa sóng ghép n tầng
3.4.2. Sơ đồ chỉnh lưu bội áp một pha toàn sóng
Sơ đồ chỉnh lưu bội áp một pha toàn sóng, có thể xem như 2 sơ đồ chỉnh lưu bội áp 1 pha
nửa sóng nối tiếp với độ dịch pha là 180
0
. (Hình 3.23).
1
Với sơ đồ này, yêu cầu trị số C
1
, C
2
sao cho: Z
C
12,
C
12, R
t
thì đây là sơ đồ bội áp với tải
dung.
Hình 3.23: Sơ đồ chỉnh lưu bội áp
một pha toàn sóng
U
1
U
2
D
1
D
2
Rt
U
0
C
1
C
2
+
+
a
b
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
54
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Giả sử nửa chu kỳ đầu của U
2
, a (+), b (-), D
1
thông, tụ C
1
được nạp với U
C
1
2U cos
2
.
Nửa chu kỳ sau U
2
đổi dấu, b (+), a (-), D
2
thông và C
2
được nạp với
U
C
2
2U cos
2
.
- Điện áp một chiều U
0
trên tải:
U
0
U
C
1
U
C
2
2 2U cos
2
(3.46)
Khi bỏ qua tổn hao trên các linh kiện trong mạch, ta có:
U0M 2 2U2
Sơ đồ chỉnh lưu này, 1 chu kỳ làm việc 2 lần với tải (1 lần với C
1
, 1 lần với C
2
) nên số
xung dòng chính lưu m = 2 f
g
= 2f.
Nếu ta muốn điện áp U
0
trên tải gấp n lần điện áp một chiều của sơ đồ trên, ta sử dụng sơ
đồ bội áp 1 pha toàn sóng ghép n tầng như sơ đồ hình 3.24.
Hình 3.24: Sơ đồ bội áp 1 pha toàn sóng ghép n tầng
Với sơ đồ này ta có U
0 n tÇng
nU
0 1 tÇng
. Tuy nhiên với các sơ đồ chỉnh lưu bội áp, khi số
tầng n càng tăng thì hiệu suất của bộ chỉnh lưu càng giảm vì tổn hao trên các linh kiện nắn của
n tầng càng tăng, vì vậy các sơ đồ chỉnh lưu bội áp chỉ dùng khi muốn có điện áp một chiều lớn
hơn, còn dòng tải nhỏ, công suất một chiều trên tải thấp.
3.4. GHÉP NỐI TIẾP VÀ SONG SONG CÁC BỘ CHỈNH LƯU
3.4.1. Bộ chỉnh lưu cầu 2 pha nối tiếp
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
55
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Một trong các kiểu chỉnh lưu công suất lớn, làm việc với điện áp 3 pha là dùng 2 biến thế
nguồn để biến đổi 3 pha thành 2 pha. Như sơ đồ hình 3.25.
Hình 3.25: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 2 pha nối tiếp (a) và
các véc tơ điện áp các cuộn sơ cấp và thư cấp (b).
Hai cuộn sơ cấp của 2 biến áp Tr
1
và Tr
2
nối với nguồn 3 pha 3 dây. Các véc tơ điện áp
dây 3 pha là các cạnh của một tam giác đều, điện áp đặt vào cuộn sơ cấp của Tr
2
là điện áp dây
U
BC
, U
12
= U
d
= U
BC
. Điện áp đặt vào cuộn sơ cấp của Tr
1
, U
11
chính là chiều cao của tam giác
đều, U
11
3U
d
3U
BC
. Như vậy U
11
và U
12
lệch nhau 90
0
và do đó điện áp 2 cuộn
2 2
thứ cấp cũng lệch nhau 90
0
. Với kiểu nối mạch này đã biến 3 pha bên sơ cấp thành 2 pha phía
thứ cấp. Tỷ số vòng dây của Tr
1
và Tr
2
khác nhau để cho U
21
= U
22
và công suất cấp cho tải của
2 biến thế bằng nhau và bằng nửa công suất tổng.
Điện áp vào của mỗi cầu nắn là điện áp một pha, và đây là 2 sơ đồ cầu 1 pha mắc nối tiếp
và làm việc lệch nhau 90
0
.
Bất cứ thời điểm nào dòng chỉnh lưu cũng thông qua 4 diode thuộc 2 cầu nắn và 2 cuộn
thứ cấp.
Trong 1 chu kỳ có 4 xung dòng qua tải, m = 4 và f
g
= 4f.
Bỏ qua tổn hao trên biến áp và diode, ta có điện áp một chiều trên tải với tải trở và tải
cảm:
U
0
0 2U
2M
sin t.d t 252,U
2
(3.47)
- Với tải điện dung: U
0
2 2U
2
(3.48)
A
B
C
U
11
U
12
U
21
U
22
b)
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
56
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
m /4
U
2
là điện áp hiệu dụng cuộn thứ cấp.
3.4.2. Bộ chỉnh lưu cầu 2 pha song song
Từ sơ đồ chỉnh lưu hình 3.25 ta có thể sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu 2 pha song song như
hình 3.26.
B
Do đặc điểm cách nối dây của 2 biến áp Tr
1
và Tr
2
giống sơ đồ hình 3.25 nên sơ đồ 3.26
xem như 2 sơ đồ cầu 1 pha nối song song, làm việc lệch nhau 90
0
.
Vậy 1 chu kỳ có 4 xung dòng chính lưu qua tải m = 4 và f
g
= 4f.
- Điện áp một chiều trên tải với tải trở và tải cảm:
4 /4
U
0
2U
2
(3.52)
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode:
I
- Dòng trung bình qua diode: I
tbv
0
2
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode:
(3.49)
UD ng max 2U2
(3.50)
U
0
0 U
2M
sin t.d t 126,U
2
- Điện áp một chiều trên tải khi có tụ lọc C:
(3.51)
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
57
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
UD ng max 2U2 (3.53)
4
3.5. BỘ LỌC
3.5.1. Bộ lọc san bằng
Điện áp và dòng điện sau chỉnh lưu là các xung nên trong đó có chứa các thành phần một
chiều thuần túy (U
0
, I
0
) và vô số các thành phần xoay chiều ( u
0~
; i
0~
). Tải của bộ chỉnh lưu
chỉ yêu cầu thành phần một chiều, còn các thành phần xoay chiều gây nên độ gợn sóng của điện
áp trên tải, ta phải loại bỏ các thành phần này để đảm bảo một điện áp một chiều cấp cho tải
với độ gợn sóng càng nhỏ càng tốt, nhất là đối với tải là các thiết bị điện tử. Nhiệm vụ loại bỏ
các thành phần xoay chiều sau nắn để đảm bảo điện áp một chiều trên tải có độ sơ gợn sóng rất
nhỏ so với độ gợn sóng của điện áp sau nắn là lọc san bằng, các linh kiện được cấu thành để
làm nhiệm vụ lọc san bằng được gọi là bộ lọc một chiều hay bộ lọc san bằng. Vì vậy sau chỉnh
lưu nhất thiết phải có bộ lọc để làm giảm độ gợn sóng đến mức cần thiết mà tải yêu cầu.
Để đánh giá tác dụng lọc của một bộ lọc, ta coi bộ lọc như một mạng 4 đầu (hình 3.27)
mà lối vào của bộ lọc có thành phần một chiều U
0v
và thành phần xoay chiều U
0 v
với hệ số
U
0 v
gợn
sóng đầu vào là g
v
.
U0v
U0 vgr U0 r
Hình 3.27: gv
U0vU0r
Tại đầu ra của bộ lọc ta nhận được điện áp một chiều U
0r
và điện áp xoay chiều U
0 r
,
U
0 r
với
hệ số gợn sóng đầu ra: g
r
. U0r
Hệ số lọc (hay hệ số san bằng) của bộ lọc là:
gv U0 v .U0r (3.55) q
gr U0v U0 r
Nếu coi bộ lọc là lý tưởng (không tổn hao thành phần một chiều) thì U
0v
= U
0r
, do đó:
- Dòng trung bình qua diode:
I
Itbv 0
(3.54)
Bộ lọc san
Bộ lọc
bằng
san bằng
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
58
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
U
0 v
q q > 1.
U0 r
Hệ số lọc nói lên chất lượng của bộ lọc đã làm giảm độ gợn sóng tại đầu ra bao nhiêu lần
so với độ gợn sóng đầu vào.
3.5.2. Các loại bộ lọc san bằng
1) Bộ lọc LC
Hình 3.28: Bộ lọc LC
Bộ lọc LC là bộ lọc được dùng thông dụng nhất trong các bộ chỉnh lưu công suất vừa và
lớn, nhất là trong các bộ nguồn cung cấp cho các thiết bị viễn thông. Để lọc tốt các thành phần
xoay chiều của điện áp gợn sóng thì cuộn chặn phải có L
ch
sao cho:
XL
ch
= m L
ch
>> Rt rL
ch
<< R
t
1
Và giá trị của C sao cho X
C
R
t
m C
Trong đó m là số xung dòng chính lưu trong 1 chu kỳ, m phụ thuộc sơ đồ chỉnh lưu .
: tần số góc của điện mạng. L
ch
: điện
cảm của cuộn chặn r
Lch
: điện trở thuần dây cuốn cuộn
chặn - Tính toán các trị số của bộ lọc:
* Tính trị số C:
Theo yêu cầu của tải, được cung cấp điện áp một chiều U
0
với hệ số gợn sóng là g.
g
Vậy: R
t
m C
Với sơ đồ chỉnh lưu được sử dụng (biết m)
g
Ta có: C
m R
t
U
~
0
,
u
0
C
Rt
Lch
U
0
U
0
~r
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
59
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Với f = 50Hz và C = [ F]
g
0~r 0~v 1 ( jm C )
jm L
U
o v
~
(m L
ch
1 )m C
(3.57)
q
U0~r m C
q = m
2 2
L
ch
C –1 Vì
m
2 2
L
ch
C >> 1 nên bỏ qua 1, ta có:
q = m
2 2
L
ch
C q (3.58)
* Tính Lch:
q
Lch m2 2C (H)
- Hiệu suất của bộ lọc LC
Rt 1
L rLch Rt 1 rLch (3.59)
R
t
Thì C 3200 F
mR
t
- Điện áp xoay chiều đầu ra của bộ lọc LC
(3.56)
1
U U .
1
.
Hệ số lọc q của bộ lọc LC
ch
( jm C )
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
60
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Thường thì r
Lch
R
t
nên hiệu suất của bộ lọc LC cao và q tỷ lệ với m
2 2
nên hiệu quả lọc
rất cao.
Những cuộn chặn ở tần số điện lưới có thể tích, trọng lượng lớn và giá thành đắt.
2) Bộ lọc hình
Để giảm nhỏ mức độ gợn sóng của điện áp tại đầu vào của các bộ lọc LC và RC, người
ta nối thêm một tụ điện lọc C
1
ở trước bộ lọc như hình 3.39 a,b.
Lc
R
(a) (b)
Hình 3.39: Các bộ lọc LC, RC, hình
Khi bộ lọc hình được dùng làm mắt lọc đầu tiên thì tải của bộ chỉnh lưu sẽ mang tính
dung. Trong nhiều thiết bị, để giảm nhỏ kích thước của bộ lọc, người ta dùng một tụ kép thay
cho 2 tụ riêng lẻ C
1
, C
2
.
3) Bộ lọc nhiều mắt
Bộ lọc nhiều mắt được sử dụng khi yêu cầu có hệ số lọc lớn và khi bộ chỉnh lưu phải
cung cấp cho nhiều tải với các mức điện áp và độ gợn sóng khác nhau.
Hình 3.40: Bộ lọc nhiều mắt
Bộ lọc nhiều mắt có cấu tạo gồm mắt lọc đầu tiên là LC mắc nối tiếp nhau với các mắt
lọc RC. Với bộ lọc nhiều mắt thì hệ số gợn sóng đầu ra của mắt lọc trước là hệ số gợn sóng
đầu vào của mắt lọc kế tiếp, khi đó hệ số lọc của cả bộ lọc là:
g
v
1
q q
1
.
2
.....q
n
(3.60)
q
Rt
C
1
C
2
Rt
C
2
C
1
h
gV
U
03
......................
C
1
q
1
C
2
q
2
Cn
qn
C
3
q
3
grn
Lch
U
01
U
02
U
n
0
R
2
R
3
Rn
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
61
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
g
rn
Trong đó: q
1
, q
2
... là hệ số lọc của từng mắt lọc riêng rẽ, khi q
1
= q
2
= ... qn = q, ta có:
q = qn
Về các mức điện áp một chiều, ta có:
U
01
> U
02
> U
03
> ... > U
0n
Bộ lọc nhiều mắt được dùng trong các thiết bị điện tử có nhiều tầng khuếch đại.
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha tải trở, bỏ qua tổn hao biến áp và điốt, U
0
= 15V. Hãy tính
điện áp thứ cấp hiệu dụng, cực đại? Biết điện áp đặt vào cuộn sơ U
1
= 220V và W
2
= 60.
Hãy tính
M
trong lõi thép của biến áp, biết diện tích mạch từ S = 10cm
2
.
Tính dòng cực đại qua mỗi điốt, biết R
t
= 300 .
Tính U
dngmax
?
2. Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng tải dung, bỏ qua tổn hao biến áp và điốt, U
2
=
40V, R
t
= 10 . Tính U
0
, U
dngmax
, I
tbv
.
3. Tính hiệu suất chỉnh lưu của sơ đồ cầu 1 pha tải trở và sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa
sóng tải trở (bỏ qua tổn hao trên biến áp, điốt).
4. Cho sơ đồ chỉnh lưu như hình 3.41, tải thuần trở, biết U
2a
= U
2b
= 40V; R
t
= 9 .
Vẽ dạng sóng, dòng điện, điện áp trên tải?
Tính U
0
, I
0
, I
tbv
, f
g
, UD
ngmax
. Bỏ qua tổn hao trên biến áp và điốt.
Hình 3.41
5. Cho sơ đồ chỉnh lưu như hình 3.42. Hai biến áp có sơ cấp làm việc với điện áp 3 pha.
Hai cuộn thứ cấp có U
21
= U
22
và lệch nhau 90
o
.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
62
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Vẽ dạng sóng U
0
và khoảng thời gian dẫn của các điốt.
Tính f
g.
Tính U
0
, I
0
, I
tbv
biết U
21
= U
22
= 60V, R
t
= 6 .
6. Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha nửa sóng có điều khiển, biết điện áp pha U
p
= 100V, tải trở.
Vẽ dạng sóng điện áp trên tải với góc mở .
Xác định U
0
trên tải ứng với = 0
o
, 30
o
, 90
o
, biết điện áp rơi trên Thyristor là 1,5V
7. - Vẽ dạng sóng điện áp trên tải và khoảng thời gian làm dẫn của các điốt của sơ
đồ chỉnh lưu 3 pha tải trở.
- Tính U
0
, I
0
, I
tbv
biết U
p
= 220V, R
t
= 10 . Bỏ qua tổn hao trên nguồn, điốt.
8. Tính điện áp một chiều trên tải, điện áp ngược lớn nhất trên điốt của bộ chỉnh
lưu cầu 3 pha với tải cảm và tải dung, biết U
p
= 220V.
9. - Tính điện áp một chiều trên tải của sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển
ứng với
; ; biết U
p
= 220V.
6 4 2
- Tính U
Dngmax
?
10. Tính L
ch
và C của bộ lọc LC trong bộ chỉnh lưu cầu 3 pha. Cho biết R
t
= 1 , X
Lch
=
100 , q = 200.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
63
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Bộ biến đổi áp một chiều (BBĐA1C) hay gọi đầy đủ là bộ biến đổi xung điện áp một
chiều, sử dụng các ngắt điện bán dẫn ở sơ đồ thích hợp để biến đổi áp nguồn một chiều thành
chuỗi các xung áp, nhờ đó sẽ thay đổi được trị trung bình áp ra V
0
(Hình 4.1).
Bộ biến đổi áp một chiều loại FORWARD được phân loại theo số phần tư mặt phẳng tải
mà nó có thể hoạt động. Mặt phẳng tải, tương tự như mặt phẳng đặc tính cơ trong truyền động
điện, là tập hợp các điểm biểu diễn trị trung bình dòng, áp trên tải V
0
, I
0
; gồm bốn phần tư như
ở Hình 4.2. Hình 4.3 cho ta sơ đồ bộ biến đổi áp một chiều loại FORWARD.
Trên Hình 4.3 (a) ngắt điện bán dẫn một chiều S1, như ta đã biết chỉ có thể dẫn điện một
chiều từ đầu “+” của nguồn. Vì thế trị số tức thời áp, dòng ra v
o
, i
o
và trị số trung bình của
chúng V
o
, I
o
chỉ có thể dương, và bộ biến đổi như vậy chỉ làm việc được ở phần tư thứ nhất của
mặt phẳng tải.
Xét chu kỳ tựa xác lập - khi các dạng sóng sẽ lập lại ở mỗi chu kỳ, trên Hình 4.5(a) trình
bày tín hiệu điều khiển ngắt điện S1. Tín hiệu cao (hay 1) tương ứng ngắt điện đóng, thấp (hay
0) là ngắt.
1 VT
giá trị này cực đại khi , lúc đó I (4.11)
2 8L
Nhận xét: nhấp nhô dòng không phụ thuộc trị trung bình dòng tải I
o
và điện trở tải R. Khi
E hay R tăng, I
o
giảm trong khi I không đổi. Vì I
min
= I
o
– I, dòng điện sẽ gián đoạn.
Khi I
o
< I (hình 4.5(c)). Khi dòng gián đoạn, trong một chu kỳ có khoảng thời gian i
o
1
= 0, v
o
= E, trị trung bình áp ra V
o
sẽ tăng bằng V
0
[Vt
on
(T t
x
) ]E (4.12)
T
với t
x
là khoảng thời gian có dòng.
Có thể tính được t
x
khi áp dụng các công thức từ (4.7) đến (4.10) cho chu kỳ giả định
bằng t
x
(Hình 4.6) và điều kiện I
min
= 0.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
64
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 4.6:
Iox xV E IVt on (1 x ) x ton VRton 2LE
R 2L t
x
VRt
on
2LV
Và tx ton VRton 2LE
VRt
on
2LV
Công thức này cũng cho ta điều kiện để bộ biến đổi có dòng gián đoạn: đó là chu kì T
t
x
với tx tính theo (4.13).
Ví dụ 4.1:
a) Tính các thông số và vẽ dạng dòng áp trên tải của BBĐ áp làm việc1/4 mặt
phẳng tải.V = 100 [V], T = 100 [ s], t
on
= 30 [ s], R = 5 [ ], L = 0,01 [H], E = 20 [V].
Giả sử dòng liên tục = 30/100 = 0,3 ta suy ra:
VT 100.100.10
6
I (1 ) .(1 0,3).0,3 0,105[A]
2L 2.0,01
V
o
= 100 * (30/100) = 30 [V],
I
o
= (30-20) / 5 = 2 [A],
I
max
= I
o
+ I = 2,105 [A]
I
min
= I
o
– I = 1,895 [A] > 0 nên giả thiết dòng liên tục là đúng.
Kiểm tra lại:
L 0,01
0,002 [s], nên từ (4.7) ta có:
R 5
I
min
= 1,8953546 [A], I
max
= 2,1053454[A] => I = 0,1049954 [A]
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
65
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Như vậy sai số giữa hai cách tính là không đáng kể
Kiểm tra các hằng số thời gian: T (= 100E–6 [s]) << τ (= 0,002 [s]) => phù hợp với giả
thiết.
b) Giả sử E thay đổi, tính giá trị E để dòng trở nên gián đoạn.
Biết rằng I không thay đổi theo E, trường hợp giới hạn của dòng liên tục xảy ra khi I
min
= 0 và I
o
= I = 0,105 A (4.9) cho ta:
E = V - R.I
o
= 30 – 5.0,105 = 29,475 [V]
Kiểm tra lại, thế giá trị E này vào (4.13), ta có t
x
= 100 [ s] = T.
Vậy khi E > 29.475 [V] thì t
x
< 100 [ s] và dòng bắt đầu gián đoạn.
4.2.2. Bộ biến đổi làm việc hai phần tư mặt phẳng tải I và II
Trong Hình 4.3(b), hai ngắt điện bán dẫn một chiều làm việc ngược pha nhau: khi S1
đóng, S2 ngắt và ngược lại. Ký hiệu: S1 S 2
Như vậy, các ngắt điện S1, S2 và diode D1, D2 cho phép dòng tải i
o
chảy theo hai chiều,
trong khi áp ra chỉ có thể dương: bộ biến đổi có thể làm việc ở phần tư thứ nhất và hai.
Việc đóng ngắt đảo pha hai ngắt điện mắc nối tiếp không dễ dàng trong thực tế khi ta để
ý thời gian turn on của ngắt điện bán dẫn bao giờ cũng bé hơn thời gian turn off. Khi đó có
thể xảy ra ngắn mạch nguồn tạm thời khi ngắt điện turn off chưa kịp OFF trong khi ngắt điện
turn on đã ON (sự trùng dẫn). Để tránh hiện tượng này ta cần thêm vào một khe thời gian đủ
lớn (phụ thuộc vào loại ngắt điện) cả hai ngắt điện đều khoá làm trung gian cho quá trình
chuyển mạch.
Khảo sát bộ biến đổi như với sơ đồ làm việc một phần tư cho ra cùng kết quả, các công
thức từ (4.1) đến (4.11) đều có thể áp dụng. Nhưng các dòng điện đều có thể lớn hơn hoặc nhỏ
hơn 0, suy ra không có chế độ dòng gián đoạn.
Các dạng dòng áp được vẽ trên Hình 4.7:
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
66
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 4.7
Dạng dòng i
o
hình (a) tương ứng với trường hợp trị trung bình dòng ra I
0
>>0. diode D1
và ngắt điện không có dòng, thực tế mạch hoạt động như bộ biến đổi một phần tư.
Dạng dòng (b) xảy ra khi sức phản điện tải E xấp xỉ trị trung bình áp ra V
o
, trị trung bình
tiến về 0 và cả 4 linh kiện công suất đều tham gia dẫn điện trong từng giai đoạn như trên hình.
Dạng dòng (c) xảy ra khi trị trung bình dòng ra I
o
<< 0. Chỉ có D1 và S2 làm việc
Vì I
o
V
o
E
0 E V
o
. Khi S2 đóng, dòng i
o
qua R, L, S2 về E có biên độ tăng
R
dần. Cuộn dây được nạp năng lượng. Khi S2 ngắt, dòng qua L không thay đổi tức thời phóng
qua D1 về nguồn. Như vậy tải E dù có sức điện động bé hơn nguồn V nhưng vẫn có thể đưa
năng lượng về nguồn nhờ bộ biến đổi áp một chiều khi có trị số trung bình áp ra Vo thích hợp
(Vo < E).
Ví dụ 4.2: Khảo sát BBĐ áp một chiều hình 4.3 (b) với nguồn V = 100 [V], sức điện
động tải E = 40 [V], R = 5 [ ], L = 1 [mH], T = 100 [ s]. Vẽ dạng dòng ra trong các trường
hợp độ rộng xung tương đối lần lượt là 0,5; 0,4; 0,3.
a) = 0,5
VT 100.100.10
6
I 2L (1 ) 2.10
3
.(1 0,5).0,5 1,25[A]
Trung bình điện áp ra: V
o
= 0,5.100 = 50 [V] => Io = (50 - 40)/5 = 2 [A]
Vậy I
min
= 2 – 1,25 = 0,75 [A]; I
max
= 2 + 1,25 = 3,25 [A], tương ứng với trường hợp dòng
điện dạng (a) của Hình 4.7.
b) = 0.4
VT 100.100.10
6
I 2L (1 ) 2.10
3
.(1 0,4).0,4 1,2[A]
Trung bình điện áp ra: V
o
= 0,4.100 = 40 [V] => I
o
= (40 – 40)/5 = 0 [A].
Vậy I
min
= 0 – 1,2 = –1,2 [A]; I
max
= 0 + 1,2 = 1,2 [A], tương ứng với trường hợp dòng
điện dạng (b) của Hình 4.7.
c) = 0.3
VT 100.100.10
6
I 2L (1 ) 2.10
3
.(1 0,3).0,3 1,05[A]
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
67
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Trung bình điện áp ra: V
o
= 0,3.100 = 30 [V] => I
o
= (30 – 40)/5 = -2 [A].
Vậy I
min
= – 2 – 1,05 = –3,05 [A]; I
max
= – 2 + 1,05 = – 0,95 [A], tương ứng với trường
hợp dòng điện dạng (c) của Hình 4.7.
Bộ biến đổi tăng áp
BBĐ áp một chiều làm việc 1 phần tư chỉ có thể cung cấp áp đầu ra bé hơn áp nguồn nên
còn có tên gọi là BBĐ giảm áp
Xét BBĐ hai phần tư Hình 4.3b), khi làm việc ở phần tư thứ II, chỉ có S2 và D1 làm việc
(vẽ lại trên Hình 4.8). Năng lượng của suất điện động tải E được trả về nguồn (i
o
< 0) nhưng ta
vẫn có trung bình áp ra V
o
bé hơn áp nguồn V. Sơ đồ Hình 4.8 được gọi là BBĐ tăng áp, khi áp
của phía cung cấp (áp tải) V
o
bé hơn áp nguồn V (phía nhận).
Hình 4.8: Bộ biến đổi tăng áp
Ở BBĐ tăng áp, ta định nghiã t
on
là thời gian dẫn điện của S2, công thức tính trị trung
bình V
o
sẽ thay đổi, tương ứng với việc thay thế bằng (1- ) trong (4.8)
Ta có Vo = V.(1 – ) (4.8*) dòng qua tải I
o
= (V
0
- E)/R < 0
tương ứng V
0
< E
Lưu ý rằng (4.8*) chỉ đúng khi dòng tải i
o
liên tục, nhờ vào khả năng tích trữ năng lượng
ở dạng dòng điện của tự cảm L. Không có sức điện động cảm ứng của L, dòng không thể chạy
từ tải E có điện áp bé về nguồn V lớn được.
BBĐ tăng áp là một sơ đồ trong nhóm BBĐ áp một chiều dạng FLYBACK, có khả năng
tăng giảm áp với tự cảm L được xem như là một thành phần của BBĐ.
4.2.3. Bộ biến đổi làm việc bốn phần tư mặt phẳng tải
Hình 4.3c) cho ta sơ đồ cầu của bộ biến đổi làm việc bốn phần tư mặt phẳng tải. Ta cũng
có thể sử dụng sơ đồ với hai nguồn như Hình 4.9. Trong sơ đồ cầu, các ngắt điện S1, S4 cung
cấp điện áp dương và các ngắt điện S2, S3 cung cấp điện áp âm cho tải. Các diode song song
ngược với ngắt điện đảm bảo dòng điện lưu thông hai chiều. Có thể lý luận tương tự để chứng
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
68
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
minh khả năng làm việc ở bốn phần tư mặt phẳng tải của sơ đồ sử dụng hai nguồn: S1 cung cấp
điện áp dương cho tải và điện áp âm bằng S2.
Hình 4.9: BBĐ làm việc bốn phần tư mặt phẳng tải (dạng sơ đồ 2 nguồn)
Các sơ đồ làm việc 4 phần tư mặt phẳng tải dùng để cung cấp cho tải
- Áp đảo chiều (làm việc ở phần tư I hay III) - Dòng và áp đảo chiều làm việc I,II
hay III, IV - Dòng và áp có dấu bất kỳ phụ thuộc yêu cầu.
tương ứng với nhiều cách điều khiển các ngắt điện bộ biến đổi. Có hai cách chính:
- Điều khiển chung.
- Điều khiển riêng.
*) Điều khiển chung
Có S1 S4 S 2 S3 . Khi đó dạng áp ra luôn có hai cực tính: v
o
dương khi S1 đóng
và âm khi S1 ngắt, dạng sóng như Hình 4.10a), nhưng áp ra là dạng có biên độ thay đổi trong
khoảng -V đến +V, làm cho nhấp nhô dòng điện tăng gấp đôi so với dạng xung một cực tính 0-
V.
I Imax Imin VT (1 ) (4.14)
2 L
với = t
on
/T; t
on
là thời gian ON của S1, S4.
Phương án điều khiển chung cho phép thay đổi liên tục áp ra từ âm sang dương khi thay
đổi độ rộng xùn tương đối t
on
/T:
1
V
o
T V t.
on
V T t
on
V 2 1 (4.15)
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
69
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Dòng tải có thể dương hay âm phụ thuộc vào tương quan giữa trung bình áp ra V
o
và suất
điện động tải E ( theo nguyên lí xếp chồng)
Io V 0
E R
*) Điều khiển riêng
Mỗi lúc chỉ đóng ngắt một trong hai nhóm S1, S4 cung cấp áp dương và S2, S3 cung cấp
áp âm cho tải, dạng sóng áp ra tải thuần trở được vẽ trên Hình 4.10b).
Phương án điều khiển riêng cung cấp xung một cực tính cho áp ra. Công thức tính toán
như trường hợp BBĐ một phần tư. Có thể thấy dễ dàng rằng BBĐ cung cấp áp đảo chiều, làm
việc ở phần tư I ay III phụ thuộc vào cặp ngắt điện làm việc và như vậy cách tính toán sẽ giống
như ở khảo sát BBĐ một phần tư
a) Dạng sóng áp ra điều khiển chung b) Dạng sóng áp ra điều khiển riêng
Hình 4.10: Dạng sóng áp ra cho trường hợp điều khiển chung và riêng
Ưu điểm: nhấp nhô dòng, áp ra bé hơn, sơ đồ điều khiển đơn giản.
Nhược điểm: Ngoài việc dòng tải không thể đảo chiều, sơ đồ điều khiển cần có tín hiệu
chọn dấu cho điện áp ra (tương ứng với chọn nhóm ngắt điện làm việc). Điều này sẽ làm hệ
thống không làm việc được hay tác động chậm quanh điểm áp ra bằng không.
Trong thực tế có nhiều sơ đồ điều khiển khác nhau nằm giữa hai nguyên lý điều khiển
trên, dấu hiệu để phân nhóm là điều khiển riêng luôn yêu cầu tín hiệu chọn cực tính áp ra trong
khi điều khiển chung luôn luôn có thể thay đổi áp ra liên tục quanh giá trị 0 [V].
4.2.4. Bộ biến đổi làm việc tại hai phần tư I và IV
Khảo sát sơ đồ Hình 4.4 tải RLE: Các ngắt điện S1 và S4 cùng đóng và cùng khóa với độ
rộng xung tương đối = t
on
/T.
Khi để ý các ngắt điện bán dẫn chỉ dẫn điện 1 chiều, dòng qua tải chỉ có thể là chiều +
quy ước: i
o
>0
S1, S4 dẫn điện: V
o
= V > 0
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
70
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
S1, S4 khóa: Năng lượng tích trữ trong L cho phép tải phóng điện về nguồn qua các diode
D2 và D3: áp ra v
o
= - V < 0.
Như vậy bộ biến đổi có dạng áp ra V, tuỳ thuộc vào tương quan thời gian giữa xung áp
dương và âm mà áp ra có thể dương hay âm (Hình 4.11).
Hình 4.11: Áp, dòng BBĐ hình 4.4 khi dòng gián đoạn
Tính toán mạch khi dòng tải liên tục:
Khi có tải thích ứng, dòng tải liên tục: i
o
tăng trong khoảng t
on
và giảm (chưa bằng 0)
trong thời gian còn lại của chu kỳ. Vậy ta có dạng áp, dòng của BBĐ 4 phần tư và trung bình
áp ra được tính theo (4.1.15) và nhấp nhô dòng tính bằng (4.1.14). Trị trung bình dòng vẫn là
I
o
= (V
o
- E)/R. Luôn nhớ là dòng ra i
o
chỉ có thể dương, khi I
O
giảm, dòng có xu hướng tiến đến
gián đoạn.
Khi dòng gián đoạn, các tính toán trở nên phức tạp hơn.
4.2.5. Sóng hài áp dòng trên tải RLE
Sóng hài điện áp
Có thể phân làm hai trường hợp: dòng liên tục và gián đoạn. Khi dòng liên tục, dạng áp
ra chỉ phụ thuộc độ rộng xung tương đối . Khi dòng gián đoạn, dạng áp ra còn phụ thuộc sức
phản điện E. Tuy nhiên chỉ cần khảo sát trường hợp dòng điện gián đoạn , trường hợp dòng
điện liên tục tương ứng với t
x
= T . Khai triển Fourier cho dạng áp ra v
o
Hình 4.5c):
v
o
V
o
A
n
sinn t B
n
cosn t V
o
v
n
n 1
n 1
2 B
n
2 , n tg
1
B
A
n
n
,
2
T
Với
v
n
V
n sin nt
n , V
n
A
n
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
71
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
V
o
tính theo (4.12); A
n
, B
n
có thể tích phân theo dạng sóng v
o
Hình 4.5c), với T = 2
2
A
n
T
T
v t( ).sin nt dt.
1 2 1 ton.2 /T 2
0 vo.sin nt d t. 0 V.sin nt d t. tx .2 /T E.sin nt d t. ,
V E
1 cosn t on 1 cosn
t x n n
2 V E
B
n
T
T
v t( ).cos nt dt. ...
n
1 sin n t on
n
1
sin n t x , Vậy:
A
n
V
1 cosn t on
E
1 cosn t x
n
n
(4.16a)
V E
B
n
n 1 sinn t on n 1 sinn t x
Biên độ và độ lệch pha của sóng hài bậc n ở trường hợp dòng liên tục t
x
= T là:
2V tg 1 1 sincosn t n t onon (4.16b) Vn 1 cosn t on , n
n
4.2.6. Ghép song song các bộ biến đổi
Tương tự như ở bộ nguồn chỉnh lưu, sử dụng song song các bộ biến đổi có 2 tác dụng
- Tăng công suất đầu ra thay vì nối song song các ngắt điện để tăng công suất bộ biến
đổi.
- Cải thiện chất lượng dòng, áp đầu ra và dòng nguồn cung cấp khi điều khiển lệch
pha các BBĐ.
*) Tăng công suất đầu ra thay vì nối song song các ngắt điện để tăng công suất bộ
biến đổi .
Khi công suất tải lớn vượt quá khả năng của các ngắt điện có sẵn, việc mắc song song
nhiều ngắt điện để đáp ứng công suất thiết kế tuy đơn giản nhưng có nhiều hạn chế: mạch phức
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
72
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
tạp, sản xuất đơn chiếc, hệ số an toàn khi tính chọn ngắt điện tăng,... Việc ghép song song nhiều
bộ biến đổi cung cấp cho một tải tuy phức tạp về nguyên lý nhưng sẽ có nhiều ưu điểm về kỹ
thuật như: module hoá thiết kế, sử dụng tối ưu linh kiện, cho phép ứng dụng nhiều thuật toán
điều khiển để tăng chất lượng đầu ra cũng như khả năng sử dụng nguồn,…
Hình 4.12a) cho ta sơ đồ hai BBĐ cung cấp cho một tải, hai BBĐ thường có thông số
hoạt động giống nhau: cùng V
o
, khả năng tải dòng,... nhưng làm việc lệch pha ½ chu kỳ. Chúng
được nối chung đầu vào và chung đầu ra qua các cuộn kháng có nhiệm vụ rơi phần áp chênh
lệnh xoay chiều. Mỗi BBĐ sẽ dẫn ½ dòng tải.
b) Cải thiện dòng nguồn bằng bộ lọc đầu
a) Hai BBĐ cung cấp cho một tải vào và điều khiển lệch pha các bộ biến đổi
Hình 4.12: Ghép song song các bộ biến đổi
Áp trung bình trên tải: v
o1
= v
o2
.( t - ) => V
o1
= V
o2
= V
o
Áp trên cuộn kháng L: v
L
= (v
o1
- v
o2
)/2 chỉ có các hài bội lẻ 1, 3, 5,…
Có thể chứng minh dễ dàng là áp trên tải chỉ có hài bội chẵn, nghiã là sẽ nhấp nhô ở tần
số góc 2 .
*) Cải thiện chất lượng dòng, áp đầu ra và dòng nguồn cung cấp khi điều khiển
lệch pha các BBĐ
Ta biết tần số làm việc của BBĐ càng cao thì các ảnh hưởng của song hài bậc cao lên tải
một chiều càng bé nhưng tần số hoạt động của BBĐ bị giới hạn bới khả năng ngắt điện. Như
đã chứng minh ở phần trên, khi điều khiển lệch pha ½ chu kì hai BBĐ giống nhau nối song
song nhấp nhô dòng áp có tần số gấp đôi tần số làm việc của BBĐ và như vạy chất lượng dòng
áp đầu ra đã được cải thiện.
Khả năng sử dụng nguồn một chiều cũng được cải thiện khi các BBĐ là tải của chúng
làm việc lệch pha. Khi đó giá trị hiệu dụng của dòng nguồn sẽ tiến gần đến gía trị trung bình
của chúng hơn. Hình 4.13 vẽ dạng dòng cung cấp cho 1 BBĐ và 2 BBĐ làm việc lệch pha ½
chu kỳ. Dòng nguồn là những xung hình thang có độ rộng bằng khoảng dẫn của ngắt điện S
nhưng ta có thể giả sử xung dòng có dạng chữ nhật có biên độ là trị trung bình dòng tải để tính
toán dễ hơn khi tự cảm tải L đủ lớn.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
73
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 4.13: Dạng nguồn dòng i
n
của một và hai BBĐ giống hệt nhau làm việc song song lệch
pha nhau 180
0
Sóng hài bậc cao làm cho ta không tận dụng công suất nguồn điện, có thể giảm bớt bằng
mắc lọc LC ở đầu vào như Hình 4.12b).
4.3. BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LOẠI FLYBACK
Các bộ biến đổi áp một chiều khi làm nguồn cho các thiết bị điện tử cần có thêm bộ lọc
LC (hay RC khi công suất bé) để áp ra phẳng. Trong các bộ nguồn xung hiện đại ta hay gặp bộ
biến đổi loại flyback, nó cho ra chuỗi xung dòng, qua trung gian cuộn dây để nạp tụ đầu ra thay
vì các xung áp như ở BBĐ dạng FORWARD. Bộ biến đổi áp một chiều xếp vào loại flyback
khi chu kỳ hoạt động gồm hai pha:
Pha 1: Ngắt điện đóng (ON). Cuộn dây được nạp năng lượng từ nguồn, tải sử dụng năng
lượng tích trữ trong tụ điện song song ( tụ lọc đầu ra ).
Pha 2: Ngắt điện ngắt (OFF). Cuộn dây chuyển (phóng) năng lượng qua tải và nạp năng
lượng vào tụ điện.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
74
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 4.14: Các sơ đồ BBĐ dạng Flyback
Như vậy, nguyên tắc hoạt động bộ biến đổi loại FLYBACK đối nghịch với các bộ biến
đổi xung điện áp dạng FORWARD, khi tải được nối nguồn khi ngắt điện đóng (ON) và sử dụng
năng lượng tích trữ khi ngắt điện khóa.
Có 4 sơ đồ được trình bày trên Hình 4.14:
(a) Bộ biến đổi đảo cực tính. (được dùng cho khảo sát cơ bản vì có số phần tử là ít nhất).
(b) Sơ đồ tăng giảm áp.
(c) Sơ đồ tăng giảm áp có biến áp.
(d) Sơ đồ tăng áp.
Sơ đồ (a) có số phần tử ít nhất, (b) có cùng hoạt động với (a) nhưng không đảo cực tính,
(c) tương tự nhưng sử dụng biến áp và (d) tăng áp.
BBĐ tăng áp đã được khảo sát ở mục 4.4.2 là trường hợp riêng của sơ đồ hình (d), khi
biến áp tự ngẫu chỉ còn lại cuộn dây sơ cấp.
4.4. MẠCH TẮT SCR
Ngoài họ transistor hay GTO có thể đóng ngắt theo mạch lái các ngắt điện đã tìm hiểu ở
chương 1, ta có thể sử dụng SCR làm ngắt điện bán dẫn làm việc với điện một chiều khi sử
dụng thêm mạch phụ, gọi là mạch tắt SCR. Cũng giống như ở chỉnh lưu, quá trình tắt SCR còn
được gọi là quá trình chuyển mạch hay chuyển mạch.
Nguyên lý tổng quát của mạch tắt SCR là tạo ra một đường dẫn điện tạm thời thay thế
SCR , làm cho dòng qua nó về không trong thời gian đảm bảo tắt t
q
> t
off
.
4.4.1. Ví dụ mạch tắt SCR
Mạch hai trạng thái bền dùng SCR (Hình 4.15).
Tại t = 0, kích T1. T1 dẫn điện và C được nạp qua T1 và R2 đến áp nguồn V với cực tính
như hình vẽ. T2 có điện áp phân cực là vC , bằng áp nguồn V khi dòng nạp tụ tiến về 0.
Khi kích T2, T2 dẫn điện và tụ điện C đặt áp âm vào T1. T1 không thể dẫn điện và phục
hồi trạng thái khóa. Tụ điện C được nạp qua R1 đến giá trị áp nguồn V với dấu ngược lại, chuẩn
bị làm tắt T2 khi T1 được kích. Thời gian T1 bị đăït áp âm được gọi là t
q
- thời gian đảm bảo
tắt SCR, cần phải lớn hơn t
off
là thời gian cần thiết cho SCR phục hồi khả năng khóa.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
75
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 4.15: Mạch hai trạng thái bền dùng SCR
Như vậy để tắt SCR, người ta có thể dùng tụ điện với điện tích có dấu thích hợp, tạo
đường dẫn điện tạm thời làm cho dòng qua SCR về không trong thời gian tq đủ để SCR phục
hồi khả năng khóa.
4.4.2. Sơ đồ chuyển mạch cứng các SCR
Việc tắt SCR bằng cách dùng tụ điện đặt áp âm vào AK như ví dụ trên được gọi là chuyển
mạch cứng các SCR.
Để khảo sát ta xem sơ đồ tổng quát Hình 4.16 với giả thiết dòng tải I
o
không đổi trong
thời gian chuyển mạch, V là áp trên tụ trước thời điểm chuyển mạch. Khi khóa K đóng, v
v
c
(0) V làm T tắt. dòng tải I
o
chuyển qua mạch C.
Phương trình cho v
C
khi chuyển mạch:
dv
C
;v
C
(0) V v
T
v
C
( )t I
o
t V
I
o
C
dt C
Khi t = t
q
là thời gian đảm bảo tắt T1, áp trên tụ bằng 0:
v
C
( )t
q
0 CV. I t
o q
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
76
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 4.16:
Khi C nạp đến giá trị nguồn, dòng qua nó về 0, T2 tự tắt , dòng tải khép mạch qua Df. Tụ
điện C đã có năng lượng cho chu kì làm việc mới. Như vậy , điện lượng C .V tích trữ trong C
phải duy trì được dòng tải trong thời gian đảm bảo chuyển mạch t
q
hay: t
q
= V.C / I
o
.
Bộ biến đổi làm việc một phần tư dùng SCR
Trong mạch Hình 4.17a), T1 là SCR chính dẫn dòng điện tải, T2 là SCR phụ, chỉ làm
nhiệm vụ tắt (còn gọi là chuyển mạch) SCR chính. Để khảo sát mạch, ta có giả thiết dòng tải
không thay đổi:
io = Io là hằng số trong thời gian mạch tắt SCR hoạt động.
Nguồn được nối vào đủ lâu để C được nạp đến áp nguồn V theo cực tính như hình vẽ qua
điện trở R. R có giá trị rất lớn, không ảnh hưởng đến hoạt động sau này của mạch.
Tại t = 0, kích T1. T1 dẫn điện. dòng qua nó gồm dòng tải Io và dòng phóng điện của tụ
C qua T1, D
p
và L. Đây là mạch cộng hưởng LC không có tổn hao khi ta xem các linh kiện là
lý tưởng. Dòng phóng điện của C là hình sin và áp qua nó có dạng cos.
Khi điện áp trên tụ điện đảo cực tính (ngược với dấu trên Hình 4.17a)), diode D
p
không
cho phép nó xả theo chiều ngược lại và như vậy tụ điện C đã chuẩn bị được điện tích có dấu
thích hợp để tắt T1 khi T2 được kích, như sơ đồ nguyên lý Hình 4.16. Thời gian đảo cực tính
tụ điện là ½ chu kỳ dao động /2 LC cũng chính là thời gian on tối thiểu của BBĐ.
Khi kích T2, T2 dẫn v
T1
= v
C
< 0 : T1 tắt vì dòng tải Io chuyển qua C. C được nạp bằng
dòng tải I
o
, như nguyên lý chuyển mạch cứng như đã khảo sát.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
77
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
i t
o q
Điều kiện để có sự chuyển mạch thành công là C , t
q
> t
off
là thời gian tắt của SCR
T1.
V
Khi C nạp đến giá trị nguồn V, dòng qua nó về 0, T2 tự tắt, dòng tải khép mạch
qua D
f
.
Tụ điện C đã có năng lượng cho chu kỳ làm việc mới. Thời gian off tối thiểu của BBĐ là
2.t
q
, dể cho áp trên tụ có thể thay đổi từ - V đến + V, đảm bảo tắt được SCR chu kỳ tiếp.
(a) BBĐ ¼ mặt phẳng tài dùng SCR và các dạng sóng
b) và c) Các mở rộng của mạch tắt hình a)
Hình 4.17:
Nhược điểm lớn của mạch này là phải có pha đảo cực tính áp trên tụ điện, điều này làm
tăng tổn hao năng lượng, giảm tần số làm việc cho phép của mạch. Cùng họ chuyển mạch cứng
còn có các mạch trên hình Hình 4.17 b) và c) không sử dụng cuộn dây và cũng không có pha
đảo cực tính áp trên tụ điện. Tụ tắt C nằm giữa cầu SCR, chúng được kích ở theo chu trình
thích hợp để cung cấp áp âm tắt SCR chính (sơ đồ b). Sơ đồ (c) có điều khiển phức tạp hơn khi
dòng tải lần lượt chạy qua các nhánh của cầu SCR.
Trong thực tế, trong mạch còn nhiều tự cảm nối tiếp với SCR, có thể là tự cảm của nguồn
điện, dây dẫn hay là cuộn dây được thêm vào để chống những đột biến dòng làm ảnh hưởng
kết quả tính toán trên.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
78
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Mở rộng chuyển mạch cứng cho BBĐ làm việc hai phần tư
Khi BBĐ làm việc nhiều hơn một phần tư, cần có diode phóng điện song song ngược với
SCR. Ví dụ như ở sơ đồ Hình 4.18. Mạch này hoạt động tương tự như sơ đồ Hình 4.17a) nhưng
các tính toán cho bộ chuyển mạch cứng thay đổi hoàn toàn.
Hình 4.18: Mở rộng của mạch tắt Hình 4.17a) cho BBĐ làm việc nhiều hơn ¼ mặt phẳng tải
Để chuẩn bị tắt SCR chính T, tụ điện cũng được nạp với cực tính như hình vẽ. Khi SCR
phụ Tp được kích, dòng qua tụ C chia làm hai nhánh: cung cấp dòng tải IO thay cho SCR chính
T (đảm bảo T tắt), khép mạch qua D tạo thành mạch dao động LC. Ta có thể nhận xét nhiệm
vụ của L là hạn chế tốc độ phóng điện của C qua D. Vì dòng tải IO đang chạy qua L khi Tp
được kích, giá trị ban đầu của dòng qua C là I
o
làm thay đổi thời gian xả tụ C.
L là cuộn kháng có trị số rất bé, chỉ tham gia quá trình chuyển mạch mà không ảnh hưởng
hoạt động của tải.
4.4.3. Sơ đồ chuyển mạch mềm các SCR
Bộ biến đổi làm việc hai phần tư dùng SCR dùng chuyển mạch mềm
Hình 4.19:
Vì chuyển mạch cứng cần một tụ điện nối song song với SCR, để BBĐ có thể làm việc
nhiều hơn một phần tư, ta cần thêm vào cuộn kháng L bên cạnh diode phóng điện D thì ở
chuyển mạch mềm diode phóng điện được nối song song ngược trực tiếp với SCR.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
79
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Kết quả của cách nối này là chỉ có dòng qua SCR giảm về 0 khi chuyển mạch, v
AK
không
có áp âm. Đây là đặc trưng của họ chuyển mạch mềm.
Hình 4.20:
Nguyên lý hoạt động:
Trong BBĐ hai phần tư, một ngắt điện bán dẫn cấu tạo từ hai SCR: S1 (S2) bao gồm
SCR chính dẫn dòng điện tải T1 (T2) và SCR phụ T11 (T22). Các linh kiện phụ LC sử dụng
chung. Trên sơ đồ có ghi dấu cực tính điện áp trên tụ C ở thời điểm t
0
, khi chuẩn bị tắt SCR T1
đang dẫn dòng tải I
o
. Khi kích T11, dòng phóng điện của C (mũi tên đôi) một phần cung cấp
cho tải I
o
, một phần khép mạch qua D1, T11 để tạo thành dao động LC.
Ở cuối bán kỳ dao động LC, áp trên tụ đảo cực tính, chuẩn bị tắt T2 ở pha kế tiếp bằng
việc kích T22. Dạng dòng, áp qua các phần tử được vẽ trên Hình 4.20, khi i
C
> I
o
dòng qua
SCR T1 bằng 0. Vậy thời gian có i
C
> I
o
chính là thời gian đảm bảo tắt t
q
cho T1.
Khảo sát lý thuyết chuyển mạch mềm:
Khóa K đóng mạch với áp dòng qua các phần tử mạch như trên Hình 4.21.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
80
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 4.21: Mạch điện tính toán chuyển mạch mềm
Hình 4.22: dạng dòng qua tụ điện với các tỉ số A khác nhau nhưng cùng tq.
Tại t = 0, dòng qua L không thay đổi tức thời nên dòng qua SCR vẫn bằng I
o
, ta có phương
trình:
v
C
v
L
0
i
C
C dv
C
di
C
và
Với v
L
L
dt dt
dv
C
0
=> v
C
LC
dt
V
Điều kiện đầu v
C
(0)
2
dv
C
(0) 0
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
81
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
i
L
(0)
dt
V L
Giải ra: i
C
sin t có dạng hình sin
2 C
V L 1
với biên độ I
max
và tần số góc
2 C LC
Như đã giới thiệu trên, thời gian đảm bảo tắt t
q
tương ứng với thời gian i
C
> I
o
, phụ thuộc
hai thông số L, C (hay I
max
và ).
.tq 2 Io
Io Imax cos tq cos
2 I
max
Điều kiện tối ưu được chọn là tối thiểu năng lượng tích trữ trong L (hay C) và biến trung
gian cho khảo sát là A = I
max
/I
o
.
Ta có: W
L I.
max2
1. t
1
q
A). . .V I A
o
tỉ lệ với h A( ) 8cos (1/ A
1
A)
2 4 2cos (1/
h(A) --> min ở A = 1,55 Có thể suy ra:
C 2 I to. q A 1,786 I to. q và L
1 V t. q 1 0,185V t . q V g A(
) V 2 I
o
A g A. ( ) I
o
1 g A( ) 0,277
Tần số dao động riêng của mạch LC: f0 2
2 . t
q
t
q
LC
Để ý độ rộng xung tối thiểu (đảm bảo điều kiện chuyển mạch) là bằng ½ chu kỳ dao
động hay tần số cực đại có thể của BBĐ là f
0
và áp ban đầu trên tụ là V/2.
4.5. ỨNG DỤNG
Là thiết bị cung cấp nguồn một chiều thay đổi được, các tải của BBĐ xung áp một chiều
cũng chính là tải của sơ đồ chỉnh lưu nhưng BBĐ lại làm việc với nguồn một chiều. Vì vậy,
phạm vi ứng dụng của hai BBĐ thật sự không trùng nhau. Các ứng dụng của BBĐ xung áp một
chiều có thể chia làm hai nhóm:
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
82
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
- Sử dụng nguồn một chiều áp không đổi, có thể là lưới điện một chiều hay accu. Đây
làcác ứng dụng đặc trưng của BBĐ xung áp một chiều. Ngày nay ngoài các lưới một chiều của
hệ thống giao thông công cộng bằng điện đã xây dựng từ lâu, chỉ phổ biến các ứng dụng nguồn
là acquy axithay pin.
- Sử dụng nguồn một chiều chỉnh lưu diode từ lưới xoay chiều công nghiệp. Nhóm
nàykhai thác các ưu điểm của BBĐ xung áp một chiều mà chỉnh lưu điều khiển pha không thể
có được là mạch điều khiển và động lực đơn giản, hệ thống tác động nhanh và chất lượng điều
khiển dễ dàng nâng cao.
4.5.1. Nguyên lý điều khiển bộ biến đổi
Có hai nguyên lý thường dùng: Điều rộng xung và so sánh có trễ.
a) Nguyên lý điều rộng xung b) So sánh có trễ
Hình 4.23:
*) Nguyên lý điều rộng xung (PWM)
Bộ biến đổi có thể xem như mạch khuếch đại tín hiệu:
UĐK --> Mạch Phát xung --> BBĐ --> áp ra V
o
.
Mạch phát xung so sánh tín hiệu điều khiển UĐK và sóng mang u
ĐB
, thường có dạng tam
giác. Từ đó có thể suy ra quan hệ giữa độ rộng xung tương đối và U
ĐK
. Khi thay đồi U
ĐK
áp
ra V
o
sẽ thay đổi, và việc giữ đầu ra ở đặc tính mong muốn sẽ phụ thuộc vào hệ thống điều
khiển tự động.
*) Sử dụng bộ so sánh có trễ (so sánh Smit)
Kết hợp mạch thay đổi độ rộng và việc điều khiển hệ thống. Bộ so sánh có nhiệm vụ so
sánh đặc tính đầu ra (phản hồi) và tín hiệu đặt để đóng ngắt ngắt điện:
Khi Đặt > Phản hồi + : HT tác động ngắt điện để tăng đầu ra.
Đặt < Phản hồi - : HT tác động ngắt điện để giảm đầu ra.
vùng trễ được thêm vào để giảm tần số đóng ngắt. Hệ thống ĐK này đơn giản, chất
lượng đầu ra được đảm bảo nhưng không thể rất cao vì đầu ra luôn còn sai số, tần số đóng ngắt
thay đổi theo tải. Nguyên lý này còn có các tên: rơ le có trễ, điều khiển theo áp (dòng) đầu ra.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
83
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Sơ đồ điều khiển vòng kín BBĐ xung áp một chiều hoàn toàn giống với chỉng lưu điều
khiển pha, cũng có vòng phản hồi dòng điện và vòng phản hồi điện áp (hay tốc độ khi đối tượng
điều khiển là động cơ). Nhưng khi sử dụng các sơ đồ hạn dòng cực đại, khóa tức thời các ngắt
điện khi dòng vượt quá giá trị giới hạn, có thể bỏ qua vòng dòng điện khi công suất tải bé.
4.5.2. Điều khiển động cơ một chiều
Với khả năng thay đổi được điện áp một chiều đầu ra, bộ biến đổi áp một chiều có thể sử
dụng cho điều khiển động cơ một chiều như các sơ đồ chỉnh lưu . Có hai nhóm ứng dụng lớn:
thống sử dụng điện trở và các ngắt điện cơ khí cổ điển, có thêm khả năng thu hồi lại động năng
chuyển động khi cho động cơ làm việc trong chế độ hãm tái sinh (trở thành máy phát, đưa năng
lượng trở về lưới một chiều).
* Điều khiển động cơ công suất nhỏ làm bộ phận chấp hành trong các hệ thống tự động
(truyền động động cơ chấp hành - servo motor). Các ưu điểm là:
- Tác động nhanh nhờ làm việc ở tần số cao, sơ đồ đơn giản, kích thước bé.
- Dễ dàng thực hiện sơ đồ làm việc bốn phần tư (đảo chiều động cơ) so với chỉnh
lưu SCR.
Người ta cũng dùng BBĐ áp một chiều cho điều khiển dòng qua các nam châm điện làm
việc trong chế độ tuyến tính, nguyên lý cũng tương tự như điều khiển động cơ.
4.5.3. Các bộ nguồn một chiều - cấp điện hay ổn áp xung
Bộ cấp điện còn gọi là bộ nguồn cho các thiết bị điện hay điện tử dùng trong đo lường,
điều khiển, thông tin hay dân dụng … , thường có các yêu cầu cao về chính xác, sóng hài hay
độ nhấp nhô đầu ra. Trước đây, các bộ cấp điện thường sử dụng mạch tuyến tính: Điện lưới
được giảm áp qua biến áp cách ly, chỉnh lưu diode, lọc phẳng và mạch ổn áp tuyến tính để giữ
ổn định áp đầu ra. Sơ đồ khối này tuy đảm bảo chất lượng đầu ra cao nhưng có một số nhược
điểm: trọng lượng cao vì sử dụng biến áp giảm áp 50Hz, hiệu suất thấp vì tiêu tán công suất
qua phần tử sụt áp. Việc sử dụng bộ biến đổi áp một chiều khắc phục hai nhược điểm này nhưng
bù lại mạch điện phức tạp hơn và chất lượng đầu ra không tốt bằng: độ ổn áp kém hơn và áp ra
không thật sự phẳng. Có hai sơ đồ khối chính cho cấp điện xung:
a) Sử dụng bộ biến đổi áp một chiều thay cho mạch ổn áp tuyến tính
Hình 4.24 cho ta sơ đồ khối bộ cấp điện một chiều, trong đó bộ biến đổi xung điện áp
một chiều được sử dụng thay cho mạch ổn áp tuyến tính. Hiệu suất của mạch tăng vì phần tử
công suất làm việc trong chế độ đóng ngắt thay cho khếch đại. Hệ thống loại này thường gặp
trong các thiết bị sản xuất cách đây khá lâu, khi bán dẫn đóng ngắt ở áp cao chưa phổ biến.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
84
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 4.24:
b) Cấp điện một chiều sử dụng biến áp tần số cao: (ví dụ Hình 4.25)
Hiệu quả kinh tế của cấp điện đóng ngắt thực sự rõ ràng khi sử dụng các bộ biến đổi xung
ở phía áp lưới điện thế cao. Biến áp cách ly lưới - tải làm việc ở tần số cao có kích thước, trọng
lượng bé và giá thành hạ làm thay đổi hẵn bộ mặt thiết bị. Bộ biến đổi xung áp một chiều có
hai dạng: transistor hay MosFET.
Hình 4.25:
- Khi sử dụng bộ điều rộng xung, phải sử dụng bộ biến đổi làm việc bốn phần tư và kết
hợp nguyên lý đẩy kéo để biến ra áp xoay chiều - thực chất là xây dựng bộ nghịch lưu, nhờ đó
có thể ghép qua biến áp tần số cao.
Mạch điều khiển gồm có hai bộ phận cách ly điện với nhau: một lấy tín hiệu phản hồi từ
tải và một lái mạch công suất có điện áp lưới.
4.5.4. Nghịch lưu
BBĐ áp một chiều là cơ sở để xây dựng bộ nghịch lưu: BBĐ DC -> AC. Ví dụ BBĐ
làm việc 4 phần tư mặt phẳng tải có thể là bộ nghịch lưu một pha khi trị trung bình đầu ra
bằng không và thành phần hữu dụng chính là sóng hài bậc 1.
TÓM TẮT
Chương này khảo sát các BBĐ điện áp một chiều, gồm nhiều sơ đồ khác nhau. Bài giảng
đặt trọng tâm vào BBĐ dạng FORWARD, là dạng phổ biến trong công nghiệp. BBĐ dạng
FORWARD đóng ngắt nguồn cung cấp cho tải, áp đầu ra là những xung áp chữ nhật có trị
trung bình thay đổi theo độ rộng xung tương đối .
Các công thức quan trọng cần nhớ là: tính trị trung bình, nhấp nhô của áp (hay dòng) đầu
ra (hay ngắt điện). Việc khảo sát hệ thống BBĐ áp một chiều - tải luôn luôn dựa vào nguyên lý
xếp chồng. Chế độ dòng gián đoạn luôn luôn được đặt ra khi BBĐ chỉ cho dòng chảy một chiều,
hậu quả của nó là áp ra luôn cao hơn giá trị tính toán. Khi thiết kế sơ bộ hay tính toán gần đúng
ta thường giả thiết là dòng tải liên tục để bài toán được đơn giản.
Mục 4.4 giới thiệu mạch tắt SCR gồm hai nhóm cứng và mềm. Mục 4.5 trình bày các
ứng dụng của BBĐ điện áp một chiều.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
85
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Là các dạng nghịch lưu sử dụng SCR cho đóng ngắt, có tụ điện ở mạch tải để đảm bảo
chuyển mạch. Trong mạch điện gồm điện trở R, tự cảm L và điện dung C tạo thành mạch cộng
hưởng RLC, làm cho dòng qua SCR giảm về 0 và SCR tự tắt. Hình 5.1 bao gồm hai mạch
nghịch lưu song song: (a) là sơ đồ cầu, (b) là sơ đồ ghép biến áp; ( c) tương ứng với nghịch
lưu nối tiếp.
a) Nghịch lưu song song (Hình 5.1a,b)
Dạng sóng các phần tử trên sơ đồ Hình 5.1a được vẽ trên Hình 5.2(b). Các SCR 1 và SCR
4 có cùng dạng xung kích cũng như SCR 2 và SCR3. Khi SCR 1 và SCR 4 dẫn điện, tụ điện C
được nạp đến điện áp có cực tính như trên hình vẽ. Điện áp này sẽ đặt điện áp âm vào SCR 1
và SCR 4, làm tắt chúng khi ta kích SCR2 và SCR3. Tự cảm L ở đầu vào cách ly nguồn và cầu
chỉnh lưu, làm cho dòng điện cung cấp vào cầu chỉnh lưu không thay đổi tức thời, tránh khả
năng chập mạch tạm thời qua SCR 1 và SCR2 (hay SCR 3 và SCR 4) khi các SCR chuyển
mạch.
Do có tự cảm ở giữa bộ nghịch lưu và nguồn nên Trị số và dạng áp đầu ra thay đổi theo
đặc tính tải. Trên Hình 5.2(b), áp ra không còn dạng xung vuông và có thể gần giống hình sin
khi tải có tự cảm (tải RL).
b) Nghịch lưu nối tiếp (Hình 5.1(c))
Mạch điện Hình 5.1(c) là dạng đơn giản nhất trong nhóm mạch nghịch lưu nối tiếp, có
mạch tương đương là RLC nối tiếp khi SCR dẫn điện. Ví dụ như khi SCR 1 được kích, dòng
qua mạch sẽ về không khi áp trên tụ điện đạt giá trị cực đại (có dấu như trên mạch điện) và SCR
sẽ tự tắt. Vì thế mạch còn gọi là nghịch lưu chuyển mạch tải. Khi SCR 2 được kích, tụ điện sẽ
phóng qua nó và dòng về không khi áp trên tụ điện đảo cực tính, chuẩn bị cho chu kỳ kế tiếp -
dạng sóng Hình 5.2(a).
Là mạch nghịch lưu có L bằng vô cùng ở đầu vào, làm cho tổng trở trong của nguồn có
giá trị lớn: tải làm việc với nguồn dòng. Hình 5.3 trình bày sơ đồ nguyên lý và mạch tương
đương của NL nguồn dòng một pha tải RL. Dòng nguồn i
N
phẳng, không đổi ở một giá trị tải,
được đóng ngắt thành dòng AC cung cấp cho tải:
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
86
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 5.4: Nghịch lưu nguồn áp
Hình 5.4 trình bày sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương của NL nguồn áp một pha. Đặc
trưng của NL nguồn áp là nguồn có tổng trở trong bằng không (là acquy axithay có điện dung
rất lớn ở đầu ra) để có thể cung cấp hay nhận dòng tải. Một đặc trưng khác là ngắt điện luôn có
diod song song ngược để năng lượng từ tải có thể tự do trả về nguồn.
Áp nguồn một chiều được đóng ngắt thành những xung áp hình vuông có biên độ xác
định để cung cấp cho tải.
5.3. NGHỊCH LƯU NGUỒN DÒNG
5.3.1. Sơ đồ một pha
*) Khảo sát trường hợp đơn giản: tải R, tự cảm nguồn rất lớn.
Mạch điện Hình 5.1 (a) và (b) cho ta dạng cơ bản của NL nguồn dòng một pha làm việc
ở tần số cao. Tụ C tạo ra khả năng chuyển mạch của bộ nghịch lưu. SCR1 và SCR4 khi được
kích cung cấp xung dòng dương cho tải, nạp tụ C theo cực tính như hình vẽ chuẩn bị tắt chúng
theo nguyên tắc chuyển mạch cứng. Kích SCR2 và SCR3 sẽ làm cho SCR1 và SCR4 tắt và
cung cấp xung dòng âm cho tải.
Khảo sát chu kỳ tựa xác lập mạch điện hình Hình 5.1 (a):
L
N
có trị số rất lớn => dòng nguồn phẳng, bằng I.
Kích SCR1 và SCR4, có các phương trình: v
0
C dv
0
với v
0
(0) V
C
là giá trị đầu vào
I
R dt
=>
v
0
A Be
t RC/
; v
0
(0) V
C
A B
(5.1)
T
Sau ½ chu kì v0 ( ) Vc (vì tính đối xứng) vc A Be t / 2RC
2
(5.2)
Tích phân công suất qua cuộn dây L
N
trong chu kỳ:
2 T / 2 2 T / 2
P
L
0T I V( v dt
0
) =>
T
0 (V v dt
0
) 0
0
/ 2 VT At 1
T2 T
Be t RC/ T / 2 (5.3)
Hay v dt0 V => 2 RC o
0
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
87
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
V
1 e T / 2RC 2e t RC/
Vậy: v t0 ( ) 1 e T / 2RC 4RC
T
1 e T / 2RC
2
Khi chuyển về hệ đơn vị tương đối, đặt t t k;
RC : T
v
0
( ) 1 e /k 2e /k
V
1 e /k
2k
1 e
/k
(5.4)
Đồ thị điện áp trên các phần tử và áp ra tải ở hệ đơn vị tương đối v
0
( ) /V với các hệ số
k khác nhau được trình bày trên Hình 5.5 (a) và (b) . Nhận xét là các quan hệ có dạng hàm mũ,
thời gian v
0
0 chính là thời gian đảm bảo tắt tq cho các SCR
Hình 5.5: (a) dạng áp, dòng qua các phần tử, (b) v
o
( ) /V với các giá trị k khác nhau
Bài tập: tính giá trị của t
q
, tính giá trị I của dòng chảy qua nguồn
Hướng dẫn: v t
0
( )
q
0 1 e
T
/ 2
RC
2e
t
q
/
RC
0 => t
q
2 T / 2 v2 2 T / 2 v2
P V I. T 0 R0 dt IVT 0 R0 dt
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
88
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
*) Khảo sát trường hợp thực tế: tải là RL, và điện kháng nguồn không vô cùng lớn.
Khi đó các dạng dòng, áp có tính dao động, áp trên tụ C sau khi qua giá trị cực đại sẽ giảm
xuống, kéo theo giảm tq, nhất là khi tần số làm việc thấp. Khi đó, người ta dùng các diode chặn,
cho phép giữ áp trên tụ ở giá trị cực đại như Hình 5.6 (a) và (b).
Hình 5.6: (a) mạch động lực, (b) dạng áp ra khi có và không có diode chặn
*) Khảo sát gần đúng nghịch lưu nguồn dòng: thực tế tải thường là RL.
Khi tính toán gần đúng, ta có các giả thiết sau dù điện kháng nguồn không lớn vô cùng:
- Xung dòng cung cấp cho tải là xung hình vuông, biên độ I.
- Tụ C và tải RL làm thành mắc lọc cộng hưởng, làm cho áp trên tải v
C
có dạng hình
sin và như vậy chỉ có sóng hài bậc 1 của dòng cung cấp là i
1
tạo ra công suất.
Mạch tương đương được vẽ trên hình Hình 5.7(a) khi chỉ xét thành phần cơ bản (bậc 1).
Hình 5.7(b) cho ta các vector: V
C
là áp ra, I
1
là hài cơ bản của dòng ra i
0
; , I
C
,I
L
lần lượt là dòng
qua C và tải R
L
, ta có:
V
C
là áp ra, lệch dòng ra I
L
góc của tải R
L
. I
1
sớm pha VC góc để có áp âm cần thiết
tắt được các SCR (phần gạch đứng trong Hình 5.7(c)).
(a) (b) (c)
Hình 5.7:
Ta có:
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
89
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
+ Góc lệch pha t
q
+ Hiệu dụng hài bậc nhất dòng i
0
là: I
1
a
2 2
I với a = 1 ở sơ đồ 1 pha và a
3
ở
2
sơ đồ 3 pha. (dùng công thức ở phần VI.3.1, hình 6.3.1).
Từ đồ thị vector ta có :
I
L
.sin 1
tan IC IL.sin ILIC. osc 1 BBcossin với B IICL YYCL CZ1 , Z là tổng trở
I cL. os I
C
tải RL Z R2 L 2 , với tan 1 1 BBcossin , (5.5)
Để tính dòng, áp ta tính công suất P bằng hai cách từ nguồn một chiều (nguồn cấp) và tải
(tiêu thụ ) nếu coi hệ số hệ thống bằng 1:
P V I. V I c
C
. . os =V .
1
C
a 2 2 I c. os =>V
C
.
1
.V (5.6)
a.2 2 cos
Từ đầu ra V
C
có thể xác định công suất và dòng nguồn I.
Bài tập: Tính mạch nghịch lưu nguồn dòng sơ đồ một pha. Áp nguồn một chiều 500 [V],
tần số làm việc 1 [KHz], R = 15 [ ] và L = 0,001 [H]
- Tính giá trị điện dung C để đảm bảo thời gian tắt SCR là 30 [ s].
- Tính giá trị hiệu dụng áp ra V
C
, suy ra công suất trên tải P và dòng nguồn I.
5.3.2. Sơ đồ 3 pha
Để tạo ra hệ thống ba pha, các ngắt Logic ba pha: (hai ngắt điện làm việc cùng lúc ) điện
phải được đóng ngắt theo một thứ tự nhóm + S1 S2 S3 S1
không thay đổi đối với các hệ thống ba pha,
gọi là LOGIC BA PHA. Nghịch lưu nguồn nhóm – S6 S4 S5 S6 dòng sử dụng logic
ba pha có hai ngắt điện chung S1 S6 S2 S4 S3 S5 làm việc cùng lúc. Đây cũng
chính là thứ tự
điều khiển các SCR trong chỉnh lưu cầu ba pha. Nhận xét la ở đây chỉ có hai ngắt điện làm việc
cùng lúc vì dòng nguồn không đổi (nguồn dòng) chỉ có thể chạy qua một SCR của nhóm (+)
một SCR của nhóm (–). Ví dụ khi S1, S6 đang dẫn, S2 được kích sẽ làm tắt S1 (Hình 5.8(a)).
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
90
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 5.8: (a) Dạng áp, dòng của nghịch lưu nguồn dòng 3 pha, (b) mạch động lực
Hình 5.8 cho ta các dạng sóng và mạch nguyên lý của nghịch lưu nguồn dòng 3 pha.
Dòng nguồn, xem như không đổi ở một trạng thái của tải, đưọc phân bố cho các SCR như hình
(a): mỗi lúc chỉ có hai SCR làm việc, xung dòng trên mỗi pha có dạng chữ nhật, áp ra thay đổi
theo đặc tính tải. Cũng giống như nghịch lưu một pha, dòng qua tải i
A
sớm pha hơn điện áp v
A
(Hình 5.8(a)). Đây chính là điều kiện để có sự chuyển mạch: khi xem tụ chuyển mạch là thành
phần của tải, tải sẽ có tính dung và đặt được áp âm vào SCR đang dẫn khi SCR mới được kích.
Việc tính toán gần đúng nghịch lưu nguồn dòng 3 pha thực hiện giống như sơ đồ một pha
nhưng với quan hệ giữa biên độ và thành phần cơ bản (hệ số a) của dòng điện thay đổi.
Một nhận xét khác là năng lượng chỉ chảy một chiều từ nguồn qua tải, làm áp ra thay đổi
theo tải, tăng cao khi không tải vì năng lượng tích trữ ở tải tăng cao.
Ta có thể thay đổi áp ra bằng cách thay đổi áp nguồn hay mắc song song với tải một mạch
điều chỉnh công suất phản kháng.
Hình 5.9(a) cho ta một ví dụ về nghịch lưu nguồn dòng cụ thể. Có thể thấy đây là sự phát
triển của sơ đồ Hình 5.6(a) thành ba pha, SCR đang dẫn sẽ tắt khi một SCR nối chung anod
(catod) được kích theo logic mỗi lúc có hai ngắt điện làm việc. Quá trình tắt T1 khi T3 được
kích được vẽ trên hình (b), các tụ điện sẽ đặt áp âm vào T1 và nạp đến cực tính ngược lại, chuẩn
bị tắt T3 ở xung dòng kế tiếp. Các diode được thêm vào để tránh tình trạng tụ điện C bị xả qua
tải ở tần số làm việc thấp. Hình (c) cho ta các dạng sóng trên các phần tử của mạch.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
91
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 5.9: Sơ đồ, dạng áp, dòng của nghịch lưu nguồn dòng 3 pha
5.4. NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP
5.4.1. Sơ đồ một pha
Có thể xem BBĐ áp một chiều làm việc 4 phần tư điều khiển chung ở chương 4 với áp ra
có trị trung bình bằng không là một trong những bộ nghịch lưu nguồn áp một pha, được gọi là
sơ đồ cầu khi dùng 4 ngắt điện (Hình 5.4) hay nửa cầu dùng hai nguồn (Hình 4.9).
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
92
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 5.10: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp một pha
Hình 5.10 cho ta hai dạng mạch khác của nghịch lưu nguồn áp 1 pha (ngoài sơ đồ cầu
Hình 5.4) là sơ đồ nửa cầu dùng một nguồn (a) và sơ đồ đẩy kéo (b). Hai sơ đồ này chỉ có thể
dung cho các bộ nghịch lưu vì cầu phân áp dùng tụ và biến áp chỉ làm việc với tín hiệu xoay
chiều.
Có thể dễ dàng nhận thấy là trình tự đóng ngắt các ngắt điện của các sơ đồ này sẽ giống
như ở BBĐ áp một chiều làm việc 4 phần tư nhưng luật điều khiển sẽ thay đổi, cơ bản nhất là
đảm bảo trung bình áp ra bằng không.
Các ngắt điện như vậy phải có khả năng đóng ngắt theo sơ đồ điều khiển, không phụ thuộc
tải. Hiện nay ở mức công suất dưới 100 kW người ta thường dùng linh kiện họ transistor (IGBT,
transistor Darlington, MosFET) và có thể dùng SCR + mạch tắt hay GTO ở công suất cao hơn.
Việc tính toán dạng dòng, áp của tải RL có thể dùng các công thức đã xây dựng trong
chương 4.
5.4.2. Sơ đồ ba pha
Nghịch lưu nguồn áp nhiều pha có thể bao gồm nhiều bộ nghịch lưu một pha làm việc
lệch pha một góc qui định của hệ nhiều pha tương ứng, ví dụ 2 /3 ở hệ 3 pha. Thường gặp nhất
là nghịch lưu nhiều pha được tạo thành từ những nửa cầu như Hình 5.11(a) là sơ đồ ba pha, gồm
3 nhánh làm việc lệch nhau 2 /3 từng đôi một. Với nguồn là nguồn áp và có diode phóng điện
song song với mỗi ngắt điện, năng lượng truyền được hai chiều giữa nguồn và tải làm cho áp ra
có dạng các xung vuông có biên độ là biên độ áp nguồn. Khác với nghịch lưu nguồn dòng,
nghịch lưu nguồn áp ba pha có thể sử dụng logic ba pha có hai hay ba ngắt điện làm việc cùng
lúc.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
93
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 5.11: Nghịch lưu nguồn áp ba pha
Dạng sóng đầu ra nghịch lưu nguồn áp 3 pha có dạng xung điều khiển hình Hình 5.11(b)
được gọi là dạng sóng 6 nấc, được xem là căn bản cho việc khảo sát đặc tính NL nguồn áp ba
pha.
Để tính toán áp đầu ra nghịch lưu nguồn áp, người ta thường giả sử như nguồn có điểm
giữa n, các áp pha v
An
, v
Bn
, v
Cn
, áp dây v
AB
, v
BC
, v
CA
có các quan hệ:
vAB vAn vBn vBC
vBn vCn vCA vCn
vAn vAB vBC vCA
0
Khi điều khiển S1 = S4 (S1 và S4 làm việc ngược pha), ta có thể chứng minh là các áp
pha và các áp dây hoàn toàn xác định từ luật điều khiển các ngắt điện. Hệ thống như vậy còn
gọi là điều khiển hoàn toàn (toàn phần). Hệ thống được gọi là điều khiển không hoàn toàn nếu
có khoảng thời gian cả hai ngắt điện của nửa cầu đều không làm việc. Khi đó, áp ra sẽ phụ thuộc
vào dòng phóng điện qua diode, và như vậy áp ra sẽ phụ thuộc tải.
Hình 5.11(b) gồm dạng xung
điều khiển các ngắt ngắt điện, dạng áp,
dòng ra tải RL của một sơ đồ nghịch
lưu ba pha nguồn áp. Nhận xét là mỗi
lúc có 3 ngắt điện làm việc.
Logic ba pha: (ba ngắt điện làm việc cùng lúc )
Pha A S1
S4
S1
Pha B S2
S5
S2
Pha C S6
S3
S6
chung S1
S6
S2
S4
S3
S5
S1
(
a) Mạch động lực
(
b) các dạng sóng
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
94
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 5.11(b) cho thấy áp dây v
AB
là xung vuông. Để tính các áp pha tải, ta giả sử tải nối
hình sao, đối xứng và có trung tính là N. Ta có các quan hệ sau khi bỏ qua chỉ số N của áp pha
tải:
1
vAB vAn vBn vA 3(vAB vCA) vBC vBn vCn 1
vCA vCn vAn suy ra vB 3(vBC vAB ) (5.7)
vAB vBC vCA 0 vC 1(vCA vBC )
3
Từ đây có thể tính được áp pha v
A
có dạng nấc thang và khảo sát trong một chu kỳ tựa
xác lập dạng dòng bao gồm các đoạn hàm mũ là dòng điện qua RL khi áp thay đổi nhảy cấp:
Cũng có thể tính áp pha tải theo áp đầu ra bộ nghịch lưu:
1 vA (2vAn vBn
vCn )
3
1
v
B
(2v
Bn
v
An
v
Cn
) (5.8)
3
1 vC (2vCn vAn
vBn ) 3
Khi để ý v
An
v
A
v
Nn
, v
Bn
v
B
v
Nn
, v
Cn
v
C
v
Nn
. Với v
Nn
là điện áp giữa trung tính
N của tải và trung tính nguồn n và v
An
v
Bn
v
Cn
3v
Nn
. Các công thức này không phụ thuộc vào
nguyên lý hoạt động của sơ đồ nghịch lưu ba pha.
Khác với nghịch lưu nguồn dòng chỉ có một sơ đồ điều khiển như đã trình bày, nghịch
lưu nguồn áp có thể được điều khiển bằng nhiều thuật toán khác nhau.
5.4.3. Nghịch lưu đa bậc
Mục đích làm cho dạng điện áp gần với hình sin hơn. Có nhiều cách thực hiện nghịch
lưu đa bậc:
+ Sử dụng nguồn có nhiều cấp điện áp và nhiều ngắt điện nối tiếp.
+ Nối tiếp nhiều bộ nghich lưu 1 pha có nguồn riêng.
+ Nối tiếp nhiều bộ nghich lưu làm việc lệch pha qua biến áp đầu ra.
a) Nghịch lưu nhiều bậc dùng nguồn nhiều cấp điện áp: (Hình 5.12)
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
95
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 5.12: Dạng tín hiệu áp ra nghịch lưu 5 bậc điện áp.
- Nhiều cấp áp nguồn dùng tụ phân áp.
- Số cấp bằng số tụ điện n + 1.
- nguyên lý làm việc: Ngắt điện phía trong (S13 hay S23) chỉ được khóa khi ngắt
điện ngoàinó (S12 hay S22) đã khóa và như thế một cấp điện áp sẽ được nối vào tải qua
diode kẹp khi các ngắt điện giữa nó và tải làm việc.
(a) Nguyên lý nghịch lưu năm nấc dùng nhiều
nguồn cấp điện (b) Thực hiện bằng sơ đồ dùng diode kẹp
Hình 5.13:
b) Nghich lưu nhiều nấc dùng các cell nghịch lưu một pha ( Hình 5.14 )
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
96
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
(a) Một cell nghịch lưu một pha và ký hiệu Nghịch lưu đa bậc ba pha dùng tổ hợp ba cell
(trường hợp tải R) nghịch lưu một pha cho mỗi tải
Hình 5.14: Nghịch lưu nhiều bậc dùng các cell nghịch lưu một pha
- Như có thể nhận xét trong phần khảo sát NL ba pha sáu nấc, các dạng áp nấc
thang này được
tạo ra từ việc cộng (trừ) các dạng xung vuông làm việc lệch pha nhau. Khi ta cộng (trừ) nhiều
áp ra của NL một pha, ta có thể tổng hợp được dạng áp nghịch lưu đa bậc.
- Số bậc: Mỗi cell có thể có 3 mức: +V, 0, -V; trên một nhánh có N cell tạo thành
2N+1 bậc.
Nghịch lưu đa bậc cho phép tạo ra công suất lớn, áp cao từ các cell công suất bé, áp thấp.
Tuy nhiên, BBĐ yêu cầu các nguồn một chiều cách ly với nhau.
c) Nghịch lưu đa bậc chép nối biến áp đầu ra (Hình 5.15)
- Mỗi cấp có bề rộng như nhau.
- Sử dụng biến áp để cộng các xung vuông thành áp nấc thang.
- Số bậc bằng 2 lần số bộ nghịch lưu một pha.
- Đơn giản nhất nhưng kích thước lớn, hiệu suất không cao.
Hình 5.15: Nguyên lý cộng hai dạng áp nghịch lưu dùng biến áp để tạo sóng nấc thang
Hình 5.16 giải thích nguyên lý tổng hợp dạng sóng 12 nấc thang ba pha từ 6 bộ NL một
pha làm việc lệch 30
0
, dấu “–” cho biết phải đảo cực tính cuộn dây. Mỗi pha tải được cung cấp
bằng mạch nối tiếp 5 cuộn thứ cấp của biến áp đầu ra các bộ NL một pha với biên độ có tỉ lệ
theo bảng trên Hình 5.16(a).
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
97
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
(a) Bảng tổng hợp áp ba pha từ 6 thành phần 1 pha lệch
30
0
(b) Dạng sóng 12 nấc thang
Hình 5.16: Tổng hợp dạng sóng 12 nấc từ 6 nguồn nghịch lưu một pha
5.4.4. Tính toán gần đúng nghịch lưu nguồn áp
Ứng dụng mạch tương đương Hình 5.17 khi xem sóng hài bậc cao có tác dụng không
đáng
kể. v
1
, i
1
là thành phần cơ bản (bậc 1, tần số góc ), TẢI chính là mạch tương đương của phụ
tải, được tính ở tần số làm việc .
Hình 5.17: Tính toán gần đúng nghịch lưu nguồn áp
Nguồn v1 có trị hiệu dụng được tính từ khai triển Fourier áp đầu ra BBĐ (mục 5.5). Từ
mạch tương đương, ta tính được dòng tải (xem như bằng i
1
), công suất tiêu thụ, suy ra như hoạt
động của tải.
Để đánh giá tác dụng của áp ra BBĐ không hình sin, ta tiếp tục sử dụng nguyên lý xếp
chồng để tính toán dòng, áp, công suất của các sóng hài bậc cao, công việc cũng tương tự như
tính toán với thành phần cơ bản.
5.5. ĐIỀU KHIỂN ÁP RA VÀ HẠN CHẾ SÓNG HÀI
5.5.1. Phân tích sóng hài điện áp
Dạng sóng điều rộng xung trên Hình 5.18 cho phép ta phân tích sóng hài hầu hết các dạng
áp ra của mạch nghịch lưu nguồn áp thường gặp.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
98
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 5.18: Dạng xung cơ bản cho phân tích sóng hài nghịch lưu
Trục tung được dời đến vị trí trục đối xứng xung áp có bề rộng a để khai triển Fourier của
áp ra không có thành phần sin. Ngoài ra, vì áp ra có /2 là tâm đối xứng, sóng hài áp ra không
có tần số bội chẵn (n 2k):
v
V c
n
os(n t)
k= 0, 1, 2, 3,... Tích phân lấy theo t
n 2k 1
1 2 2 / 2 2 / 2
V
n
vc. os(n t) d t=
/ 2 vc. os(n t) d t=
/ 2 vc. os(n t) d t
0
V
n
2n V sin(n t )
t=- /2
= /2
suy ra V
n
4
n
V sin na
2
(5.9)
Khi = /2 (xung chữ nhật) n=1,3,5,7,9,… thì
4V 4V 4V 4V 4V
n
2 1
4V (5.10) V
n
,
, , , ,( 1)
3 5 7 9 n
Bài tập 5.1: Chứng minh ở dạng sóng 6 nấc hình Hình 5.11
+ Các thành phần Fourier của áp dây dẫn vẫn bằng 3 các thành phần tương ứng của áp pha.
+ Tỉ số các song hài bậc cao trên song hài cơ bản (bậc 1) cua áp dây và áp pha như nhau.
5.5.2. Điều khiển áp ra
Điều khiển áp ra là một yêu cầu cần thiết cho các bộ nghịch lưu vì:
- Giữ ổn định điện áp đầu ra, tránh các sụt áp do tải, nguồn và cả do các phần tử
trong mạch.
- Áp ra cần điều khiển theo yêu cầu của tải. Ví dụ như với tải động cơ, khi làm
việc với nguồnáp cần cung cấp điện áp tỉ lệ với tần số làm việc để động cơ không bị bão hòa.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
99
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 5.19: Đặc tính U/f theo lý thuyết (a) và thực tế (b)
(a) (b)
Hình 5.20: Điều khiển áp ra bằng lệch pha
Ta có các phương pháp sau:
a) Thay đổi nguồn cung cấp
Làm biên độ áp ra thay đổi, thường sử dụng khi nghịch lưu là nguồn dòng hay áp ra có
dạng cố định. Khi đó, bộ NL thường được cung cấp điện DC từ bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển
pha hay qua BBĐ áp DC.
b) Điều chế độ rộng xung: Một xung và nhiều xung.
Mạch điều khiển phức tạp hơn vì kết hợp cả điều khiển áp và tần số vào cùng sơ đồ nhưng
mạch động lực đơn giản và kinh tế hơn.
Có hai trường hợp: đk hoàn toàn khi luôn có 1 ngắt điện làm việc ở một nửa cầu hay đk
không hoàn toàn khi có lúc không có ngắt điện làm việc. Khi điều khiển hoàn toàn, áp ra được
xác định từ luật điều khiển ngược lại với đk không hoàn toàn vì khi không có ngắt điện làm việc
trên nhánh nữa cầu, áp đầu ra phụ thuộc dòng phóng điện (hình 5.21 và 5.22).
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
100
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 5.21: Sơ đồ điều rộng nhiều xung (NL một pha) khi điều khiển hoàn toàn (sơ đồ cầu hai
nguồn)
Hình 5.22: Dạng áp, dòng nghịch lưu nguồn áp một pha khi điều khiển không hoàn toàn
(mạch Hình 5.10)
Ví dụ 5.1: Tính toán dạng dòng của bộ nghịch lưu 1 pha, sơ đồ cầu với điều khiển lệch
pha
Hình 5.20. Áp nguồn V, tải RL, chu kỳ T, góc lệch pha điều khiển , độ rộng xung áp q T.(
)/ 2 , q tính bằng giây.
Xét chu kỳ tực xác lập, khi dòng điện lập lại theo chu kỳ T.
Gọi giá trị dòng qua tải khi t = 0 là I1 . Ta có phương trình vi phân khi S1, S4
đóng: di
V L R
i
với điều kiện đầu i (0) = I
1
.
dt
T
Suy ra:
I1 I e2.
(
2
q
) /
<VD6.1.1>
T
Khi q= , i= - I
1
. Vì có sự đối xứng hai nửa chu kì dương âm
2
T
Ta có:
I1 I e2.
(
2
q
) /
<VD6.1.2>
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
101
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Từ <VD6.1.1> và <VD6.1.2> ta tìm được I
1
, I
2
:
T
V 1 e q / V e T / 2 e ( 2 q) / I2 R
1 e T / 2 ,I1 R 1 e T / 2
Bài tập 5.2: Khảo sát áp ra của bộ nghịch lưu có bề rộng xung không đổi khi tần số thay
đổi (giả sử điều khiển hoàn toàn). Gọi q là bề rộng xung tính bằng giây là không đổi trong bài
tập này. Tần số f của bộ nghịch lưu thay đổi, lớn nhất ứng với trị số chu kỳ tối thiểu 1/ f
max
bằng
2.q . Bề rộng xung tính bằng độ bằng:
q 2 q Biên độ sóng hài bậc n = 1(thành phần cơ bản) là
V
1
4V
sin
4V
sin( fq). Để có kết quả khảo sát tổng, đặt tần số f
'
f / f
max
với
2
f
max
1/2qhay f f
'
. f
max
và hàm số khảo sát là :
V
1
'
V
1
/(4V / ) sin
f
'
, trong đó f’ thay đổi trong khoảng 0 .. 1.
2
V’ có dạng hình sin. với khoảng tần số thay đổi hợp lý, khá xa tần số cực đại fMAX, áp
ra có thể xem là tuyến tính theo tần số. Nguyên lý này cho phép xây dựng sơ đồ điều khiển rất
đơn giản để thực hiện nguyên lý V/ f = hằng số.
Hình bài 5.2
Bài tập 5.3: Khảo sát sóng hài của bộ nghịch lưu điều khiển lệch pha theo góc lệch pha.
(giả sử điều khiển hoàn toàn). Như đã chứng minh, khi hai nửa cầu điều khiển lệch pha ta có
dạng xung điều rộng, bề rộng xung là và sóng hài bậc n là:
4V n
V
n
sin
, n chỉ có các giá trị lẻ và thay đổi trong khoảng từ 0 .. n 2
4V 1 n
Khảo sát hám số V '
n
V
n
/( )
sin
, theo cho ta đồ thị sau với n = 1, 5, 7,
n 2
11, 13 . Các hài bội ba không cần xét khi dạng sóng được ứng dụng cho hệ ba pha.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
102
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
5.5.3. Hạn chế sóng hài đầu ra
Các sóng hài bậc cao có các tác dụng:
- Gây phát nóng phụ: do dòng không hình sin và hài bậc cao làm tăng tổn hao trong dây
dẫnvà lõi sắt.
- Gây momen phụ: do các thành phần 3 pha bậc cao tạo ra trong động cơ xoay chiều. Có
nhiều phương pháp để hạn chế sóng hài bậc cao, chia làm hai nhóm:
- Sử dụng bộ biến đổi đa cấp: Dạng sóng nấc thang vốn có sóng hài rất bé: Khi so sánh
dạng sóng nấc thang và thành phần cơ bản (bậc 1) tương ứng, có thể nhận xét là sóng hài bậc
cao không đáng kể kể cả ở tần số (n±1). f
0
, n: số nậc thang.
Để thay đổi áp đầu ra, ta thay đổi độ rộng xung các bộ biến đổi một pha.
- Điều chế độ rộng xung (PWM): khi sử dụng nhiều xung cho một bán kỳ và có bề rộng
khácnhau, các sóng hài có tần số lớn hơn cơ bản f
0
sẽ giảm nhanh, nhưng các thành phần ở tần
số > (n-
1) f
0
có giá trị rất lớn. Điều này không ảnh hưởng lớn đến hoạt động của tải vì dòng điện của
sóng hài tương ứng không lớn. Tác dụng có thể là: gây tiếng ồn, nhiễu tần số cao, phát nóng
trong lõi thép.
Có nhiều phương pháp: điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) cùng với các cải tiến,
triệt tiêu các hài chọn trước, dùng bộ so sành có trễ (điều rộng thích nghi), điều rộng vevtor
không gian
(SVPWM).
5.6. MẠCH ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU
5.6.1. Mạch tạo logic ba pha
(b) Các dạng sóng logic ba pha, mỗi
(a) Mạch tạo logic ba pha thời điểm có hai ngắt điện làm việc
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
103
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 5.23: Mạch tạo logic ba pha và dạng sóng
Hình 5.23 trình bày nguyên lý của mạch tạo ra logic ba pha, có thể được sử dụng trong
nghịch lưu nguồn dòng hay nghịch lưu nguồn áp đơn giản (điều chế độ rộng một hay nhiều
xung). Các sơ đồ điều chế xung hình sin hay điều khiển bằng vi xử lý cũng có những khối có
cùng chức năng để đảm bảo thứ tự của hệ ba pha.
CD4017 là vi mạch đếm vòng Johnson 10 trạng thái: sau mỗi xung đồng hồ CLK lần lượt
có một đầu ra lên 1 (Hình 5.23b), Q6 đưa về chân Reset để hệ thống chỉ còn 6 trạng thái tương
ứng với logic 3 pha. Các mạch OR tổ hợp các đầu ra bộ đếm làm thành các xung điều khiển
ngắt điện bán dẫn theo sơ đồ mỗi thời điểm có hai ngắt điện làm việc (trên Hình 5.23b vẽ tín
hiệu điều khiển hai ngắt điện S1 và S2, các ngắt điện khác cũng tương tự).
5.6.2. Mạch tạo áp chuẩn hình sin dùng ROM và DAC (biến đổi số tương tự)
Hình 5.24: Mạch tạo áp chuẩn hình sin và sóng mang răng cưa cho sơ đồ điều chế độ rộng
xung hình sin (SPWM)
Trong các sơ đồ SPWM hay điều khiển đầu ra bám theo hình sin chuẩn dung phần cứng,
hạt nhân của mạch điều khiển là bộ tạo hình sin có biên độ và tần số điều khiển được. Với sơ
đồ SPWM, hạt nhân này cũng cho ra dạng song tam giác có tần số là bội số và đồng bộ vớ hình
sin chuẩn. Điều này sẽ đảm bảo áp ra giống nhau ở các pha và loại bỏ khả năng có song hài ở
tần số thấp hơn tần số cơ bản (của hình sin chuẩn).
Trong mạch tạo áp chuẩn hình sin dung ROM và DAC, biên độ hình sin chuẩn và các
song tam giác được lấy mẫu (thực chất là tính toán) và chứa trong ROM. Để tái hiện lại các
dạng song, các giá trị này được đọc lại tuần tự và chuyển đổi ra tín hiệu tương tự (analog) bằng
DAC. Tần số tái hiện (playback) f được tổng hợp bằng bộ biến đổi điện áp-tần số VFC từ áp
điều khiển Uđk : f = k.U
đk
= N. f
O
, với k: hệ số tỉ lệ (Hz/volt); f
O
: tần số đầu ra mong muốn; N:
số mẫu
của một hình sin chuẩn.
f chính là tần số xung đồng hồ của bộ đếm chương trình PC cung cấp địa chỉ cho ROM
chứa giá trị bốn dạng song: ba cho hình sin ba pha và một cho song tam giác. Các DAC biến
đổi từ số ra điện áp, tạo ra các tín hiệu mong muốn. Để thay đổi biên độ các hình sin, DAC
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
104
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
được sử dụng là loại nhân và tín hiệu điều khiển biên độ được đưa vào chân áp chuẩn REF của
nó.
Khối điều khiển điện áp ĐKU có thể đơn giản thực hiện quan hệ U/f = hằng số, hay gồm
cả việc bù giảm tốc theo tải.
Với sơ đồ Hình 5.24 ta có sự đồng bộ giữa các hình sin chuẩn 3 pha và song mang tam
giác. Vì chỉ có một song mang dung cho ba pha hình sin, tần số song mang f
C
cần là bội sáu của
tần số đầu ra f
O
để các dạng song đầu ra giống nhau. Điều này sẽ không thật sự cần thiết khi tỉ
số f
C
/ f
O
khá lớn (vài chục).
Hình 5.25 là một ví dụ minh họa qui luật thay đổi f
C
theo f
O
(đường đậm trên hình) với
f
CMAX
= 600 Hz và f
CMIN
= 300 Hz. k
C
= f
C
/ f
O
là bội số điều chế. Khi tần số bé hơn 12.5
Hz ta không cần có sự đồng bộ giữa hai tín hiệu. Một khó khăn khác phát sinh là khi k
C
thay
đổi, ció sự thay đổi không lien tục của song hài bậc 1 của điện áp ra.
Hình 5.25: Quan hệ tần số sóng mang f
c
và tần số đầu ra f
0
5.6.3. Mạch điều khiển nghịch lưu dung chương trình ROM
Hình 5.26: Mạch điều khiển nghịch lưu dùng chương trình ROM
Với nhận xét trạng thái của các ngắt điện bán dẫn trong bộ nghịch lưu điều khiển độ rộng
xung là đóng hay ngắt một cách tuần tự có chu kỳ, không thay đổi nếu dạng sóng đầu ra không
đổi (như dạng sóng triệt tiêu có hài chọn trước đã khảo sát); có thể ghi trạng thái đóng ngắt sau
các khoảng thời gian bằng nhau của các ngắt điện thành chương trình của bộ nhớ chỉ đọc ROM.
Chương trình này sẽ được truy xuất tuần tự để điều khiển các ngắt điện của bộ nghịch lưu, tạo
ra dạng sóng mong muốn. Hình 5.26 trình bày một sơ đồ khối thực hiện nguyên lý này. Điện áp
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
105
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
điều khiển U đặt được biến thành tần số qua bộ biến đổi điện áp/ tần số VFC, làm xung nhịp
cho bộ đếm chương trình PC, là bộ phận cung cấp địa chỉ cho ROM. PC là bộ đếm nhị phân có
số trạng thái bằng số trạng thái tạo thành dạng sóng điều khiển nghịch lưu trong một chu kỳ áp
ra. Nội dung của ROM đã được tính toán sao cho đảm bảo áp ra có trị số mong muốn (điều
khiển áp) và sóng hài bậc cao bé (hạn chế hài bậc cao). Khi thay đổi U đặt, tần số xung nhịp PC
thay đổi và tần số đầu ra được thay đổi theo tỉ lệ.
Để thay đổi dạng sóng đầu ra theo tần số, ROM chứa nhiều dạng sóng ứng với các tần số
khác nhau và khối đo tần số sẽ thay đổi phần địa chỉ do nó quản lý để chỉ đến vùng dữ liệu
tương ứng. Có thể xem dạng sóng một chu kỳ ở một tần số là một trang và các trạng thái của
các ngắt điện trong một dạng sóng là những dòng trong một trang. Vậy PC cung cấp địa chỉ các
dòng và bộ đo tần số cung cấp địa chỉ trang. Tín hiệu đồng bộ từ PC yêu cầu bộ đo tần số chỉ
được phép thay đổi đầu ra ở đầu các trnag để tránh những thay đổi dạng sóng không kiểm soát.
Ví dụ:
- Tần số đầu ra nghịch lưu f
O
thay đổi từ 1..64: chọn mỗi Hz là một dạng song, suy ra
ROM có
64 trang dạng song, địa chỉ trang gồm 6 bit.
- Chọn mỗi dạng song có N = 255 trạng thái (chọn chia chẵn cho 3) có thể địa chỉ hóa
bằng 8 bit. Vậy PC là bộ đếm nhị phân 8 bit nhưng được reset ở trạng thái thứ 255 và ROM
cần 14 chân địa chỉ, tương ứng dung lượng là 128 Kbit hay 16 Kbyte.
- Tần số xung nhịp của PC là N. f
O
= 255. f
O
, cực đại bằng 255*64=16.32 kHz
- Có thể sử dụng bộ đếm 6 bit để làm bộ đo tần số, thời gian mở cổng là 64/1320 =3.92
mili giây (đếm được 64 xung ở tần số xung nhịp bằng 16.32 kHz).
- Khi quy định sự thay đổi của biên độ U đặt và khoảng tần số đầu ra tương ứng, có thể
suy ra hệ số của VFC.
Ưu điểm của phương pháp này là có thể điều khiển điện áp và hạn chế sóng hài bậc cao
với chất lượng khá tốt trong khi mạch xử lý rất đơn giản. Nhược điểm lớn nhất là dạng sóng ở
mỗi tần số là đã định trước, không thể thay đổi theo điều kiện thực tế ví dụ như áp lưới giảm so
với tính toán, hay cần bù sụt áp theo tải,…. số dạng sóng là hữu hạn.
6.7. BIẾN TẦN
Biến tần là bộ biến đổi dòng điện xoay chiều của lưới điện thành dòng điện xoay chiều có
tần số khác với tần số của lưới điện. Biến tần hiện được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp
để điều khiển tốc độ động cơ AC. Đây là phương án hiệu quả nhất:
- Có thể sử dụng động cơ không đồng bộ rẻ tiền, chắc chắn.
- Điều khiển tần số động cơ AC là phương pháp có hiệu suất cao, chất lượng tốt.
Các bộ biến tần có mạch động lực đắt tiền, sơ đồ điều khiển phức tạp, chỉ được phổ biến
trong thời gian gần đây nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ chế tạo bán dẫn, ở cả lĩnh vực
vi mạch và công suất.
Có hai dạng biến tần: Biến tần trực tiếp (cyclo-converter) và biến tần qua trung gian một
chiều.
- Biến tần trực tiếp chính là bộ biến đổi đảo chiều (chỉnh lưu điều khiển pha đảo
chiều), được điềukhiển để có áp đầu ra thay đổi cực tính có chu kỳ: áp ra xoay chiều này
chỉ có thể có tần số khá bé so với tần số lưới điện. Bộ biến đổi đảo chiều Hình 5.27 có thể
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
106
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
làm thành một pha của bộ biến tần trực tiếp với thuật toán điều khiển thích hợp. Khi thay
thế SCR bằng ngắt điện có điều khiển khóa, ta có thể nhận được nhiều tính năng tốt hơn.
(a) Áp ra (một pha) biến tần trực tiếp sử dụng BBĐ đảo chiều hai cầu 3 pha, điều khiển
chungtuyến tính. , là hai góc điều khiển pha của hai bộ chỉnh lưu, thay đổi theo luật tam
giác.
(b) Áp ra (một pha) biến tần trực tiếp sử dụng BBĐ đảo chiều hai cầu 3 pha sử dụng ngắt
điệnchuyển mạch cưỡng bức, tạo ra áp có tần số cao hơn tần số lưới điện.
Hình 5.27: Biến tần trực tiếp
- Biến tần có trung gian một chiều có sơ đồ khối như Hình 5.28, gồm hai bộ phận: chỉnh
lưu đầu vào và nghịch lưu ở đầu ra. Tổ hợp hai BBĐ này làm ra nhiều sơ đồ khác nhau với khả
năng và phạm vi sử dụng rất khác biệt. Thuật toán điều khiển biến tần cũng rất phong phú, và
hiện vẫn tiếp tục phát triển cùng với việc ứng dụng công cụ điều khiển mới nhằm nâng cao chất
lượng hoạt động.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
107
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 5.28: Biến tần có trung gian một chiều
Có hai loại: Biến tần với nghịch lưu nguồn dòng (NLND) và nghịch lưu nguồn áp
(NLNA). Các biến tần này cần đảm bảo các yêu cầu:
- Thực hiện được logic ba pha, thay đổi tần số ra.
- Điều khiển áp theo đặc tính của tải, ví dụ nếu tải động cơ phải đảm bảo mạch từ không
bão hòa bằng quan hệ U/f = hằng số như đã khảo sát.
- Hạn chế được song hài áp (dòng). Đặc tính này phụ thuộc vào sơ đồ động lực, điều khiển
nghịch lưu.
Nguyên lý điều khiển động cơ AC dùng biến tần:
Khi tần số thay đổi, từ trường quay của các cuộn dây xtator có tốc độ thay đổi theo quan
hệ
60.f
n
o
; trong đó n
o
tính bằng vòng/phút, f : tần số (Hz) và p là số đôi cực.
p
Rotor sẽ quay theo từ trường quay với độ trượt s hầu như không đổi.
Có hai nguyên lý chính cho điều khiển động cơ không đồng bộ dung phương pháp thay
đổi tần số:
- Điều khiển U/f hằng: khi tần số thay đổi, điện áp đặt vào cuộn dây cũng thay đổi tỉ lệ để
tránh việc tăng mật độ từ thong dẫn để tăng dòng từ hóa.
- Điều khiển vector động cơ KĐB:
Là phương án hiện đại, sử dụng các vi xử lý mới có khả năng tính toán rất mạnh để điều
khiển động cơ KĐB.
Phương án này khắc phục nhược điểm quan trọng của các sơ đồ điều khiển U/f hằng là
momen động cơ thấp, đặc biệt khi tần số làm việc nhỏ hơn 3 Hz. BBĐ điều khiển U/f hằng chỉ
cung cấp cho động cơ một điện áp ba pha tương ứng tần số làm việc, dòng qua động cơ thay
đổi theo trạng thái của động cơ.
Bằng cách khống chế độc lập dòng từ hóa (tạo ra từ thong khe hở) và dòng rotor (tạo ra
momen quay), biến tần điều khiển vector có thể điều khiển được momen động cơ KĐB như đã
làm với động cơ một chiều, bên cạnh khả năng điều khiển tốc độ thong qua sự thay đổi tần số.
Có hai sơ đồ điều khiển vector: có phản hồi vị trí rotor (có cảm biến vị trí) và không dùng
cảm biến (sensorless). Sơ đồ đầu tiên cho phép điều khiển chính xác nhưng phải dùng động cơ
chế tạo riêng trong khi phương án sau có thể dung động cơ KĐB thong thường.
Khi biến tần được dung để điều khiển tốc độ động cơ, sơ đồ điều khiển còn có các chức
năng: hạn chế sụt tốc khi hoạt động, bảo vệ quá tải, điều khiển thời gian tăng, giảm tốc.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
108
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
5.8. ỨNG DỤNG
5.8.1. Các bộ nguồn tần số cao
Như đã giới thiệu trong mục phân loại, ta có thể nung nóng cảm ứng các vật liệu dẫn điện
bằng dòng điện cảm ứng. Dãy tần số làm việc thay đổi từ tần số công nghiệp đến vài trăm KHz:
- Tần số làm việc giảm khi công suất tăng.
- Tần số cần phải tăng khi bề dầy làm việc giảm (tôi bề mặt thép).
Có thể sử dụng NL nối tiếp hay song song với ngắt điện là thyristor trong các bộ nguồn
tần số cao. Ở tần số lớn hơn 100 KHz, có thể dung transistor hay các đèn chân không truyền
thống.
Như đã khảo sát ở V.2, các sơ đồ NL song song có dạng NL nguồn dòng với tải cộng
hưởng là cuộn dây làm việc và điện dung bù cos cho nó. Trong thời gian gần đây, người ta bắt
đầu dung transistor với các sơ đồ có chuyển mạch khi dòng (áp) bằng không.
5.8.2. Bộ nguồn xung sử dụng nghịch lưu
Bộ nghịch lưu có thể dùng cho bộ cấp điện đóng ngắt, biến đổi điện một chiều thành xoay
chiều, cung cấp cho biến áp tần số cao. Nhờ đó kích thước và giá thành biến áp này và mạch
lọc đầu ra giảm đáng kể.
Mạch nghịch lưu có dạng sơ đồ nửa cầu khi công suất nhỏ hơn 500 W và sơ đồ cầu khi
lớn hơn.
Trong Hình 5.29(a), T1 là biến áp giảm (tăng) áp, ta có đầu ra một chiều sau khi chỉnh lưu và
lọc phẳng. Để có áp ra ổn định, đầu ra được phản hồi để thay đổi độ rộng xung bộ nghịch lưu.
Với sơ đồ nửa cầu, điều khiển thong hoàn toàn được sử dụng. Do đầu ra biến áp được
chỉnh lưu, tải bộ nghịch lưu được xem là thuần trở.
Hình 5.29(b) là mạch điều khiển, tác dụng đẩy kéo (push pull – hay luân phiên dẫn điện
của S1 và S2) nhờ bộ chia hai dung flip-flop. Đây là hạt nhân của vi mạch TL494.
(a) Mạch nghịch lưu của bộ nguồn xung (sơ đồ nửa cầu)
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
109
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
(b) Mạch điều khiển nghịch lưu đẩy kéo (dùng trong bộ nguồn xung) Hình
5.29:
5.8.3. Bộ nguồn xoay chiều không gián đoạn UPS (bộ lưu điện)
Hình 5.30 trình bày sơ đồ khối bộ lưu điện (UPS – Uninterrupted Power Supply), được
sử dụng cho các thiết bị dung điện quan trọng không thể mất điện bất ngờ như máy chủ của
mạng máy tính hay các máy điện tử y tế. UPS sẽ cung cấp điện tạm thời khi mất lưới trong khi
chờ lưu dữ liệu đang làm việc hay cho chạy máy phát dự phòng. Sơ đồ khối bao gồm bộ nghịch
lưu sử dụng acquy axitvà bộ chuyển mạch (rơ le hay triac). Bình thường tải dùng điện lưới, chỉ
chuyển sang sử dụng nguồn nghịch lưu khi mất nguồn nên UPS có sơ đồ khối như vậy được gọi
là loại OFF-LINE. Thời gian chuyển mạch phải đủ bé, khoảng vài chục msec để tải xem như
được cung cấp điện không gián đoạn. Bộ nạp acquy axittự động đảm bảo hệ thống luôn sẵn
sang làm việc. Có loại UPS không có bộ chuyển mạch và bộ nghịch lưu luôn làm việc, như là
bộ biến tần có khâu trung gian một chiều với nguồn dự phòng là acquy axitở mạch một chiều
(loại ON-LINE).
Ở các bộ UPS công suất bé (<1.5 kW), mạch nghịch lưu là một pha sử dụng biến áp có
điểm giữa, thích hợp với acquy axitcó điện áp bé (12V hay 24V). Áp ra được điều khiển bằng
cách thay đổi độ rộng xung. Một vi mạch tương tự TL494 có khả năng làm việc ở 50 Hz được
sử dụng cho điều khiển nghịch lưu (SG3524).
lOMoARcPSD|37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
110
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 5.30: Sơ đồ khối của bộ nguồn không gián đoạn UPS
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Các bài tập đã cho trong các mục.
2. Cho BBĐ điện áp một chiều và mạch điều khiển đã đơn giản hóa như hình
5.31a,trong đó U1D là mạch tạo xung tam giác trên tụ C (hình 5.31b ), U1C là mạch đảo,
U1A và U1B là hai mạch so sánh dùng khuếch đại thuật toán. Vẽ dạng áp ra vo, tìm quan hệ
trị trung bình áp ra Vo/V theo U
ĐK
/U
ĐB
(U
ĐB
là biên độ xung tam giác). Nêu các đặc điểm
của phương pháp điều khiển này.
Để đơn giản, cho áp ra bão hòa của Khuếch đại thuật toán là áp nguồn VCC và sụt áp qua
các mối nối transistor bằng 0.
(a) (b)
Hình 5.31:
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
111
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
- R
2
, Z
D
tạo điện áp chuẩn, U
E(Q2)
= U
ch
.
- R
3
, R
4
là bộ phân áp hồi tiếp (còn gọi
là mạch lấy mẫu điện áp ra).
R
1
, Q
2
, Z
D
tạo thành mạch phân cực điều
khiển Q
1
, C
1
nối song song R
3
, với điều
kiện Z
C1
<< R
3
thì bộ ổn áp này còn là bộ
lọc tích cực đối với thành phần xoay
chiều ở đầu ra.
Hình 6.5: Bộ ổn áp nối tiếp có
khuếch đại so sánh
Rt
Nguyên lý hoạt động của mạch
Khi U
V
tăng (hoặc R
t
tăng), có xu hướng làm U
r
tăng, qua mạch phân áp hồi tiếp (mạch
lấy mẫu) ta có:
R4Uch UBE Q 2
(6.5)
Uht UB Q 2 Ur . R3 R4
Ur tăng thì U
ht
tăng, trong khi U
ch
không thay đổi, nên U
BE(Q2)
tăng làm Q
2
tăng độ dẫn
khiến dòng IC
(Q2)
tăng, dòng IC
(Q2)
chạy qua R
1
làm sụt áp trên R
1
tăng và U
B(Q1)
giảm, Q
1
giảm
độ dẫn (tương ứng với r
CE(Q1)
tăng) kết quả là điện áp rơi trên Q
1
(U
CE(Q1)
) tăng, kéo U
r
trở lại
giá trị định mức.
Khi U
V
giảm (hoặc R
t
giảm) thì quá trình diễn biến ngược lại.
Với sơ đồ hình 6.5 ta có:
R3
Ur Uch UBE 1 R4 (6.6)
Mạch hình 6.5 có điện áp ra cố định, muốn điện áp ra điều chỉnh được, ta mắc nối tiếp
một điện trở biến đổi V
R1
vào bộ phân áp R
3
, R
4
như hình 6.6.
Mạch ổn
Hình 6.6: Bộ phân áp hồi tiếp có
định nhưtrên hình chiết áp điều chỉnh điện áp ra.
6.5 ổnđịnh tốt đối vớitải thay đổi, cònkhi U
V
thay đổi thì tác
dụng ổn định không tốt lắm (K
u
20) vì khi U
V
thay
đổi thì
+
R
1
R
2
Q
2
Q
1
C
1
R
3
R
4
ZD
Uc
h
Uht
Ur
UV
+
Ur
Uht
Q
2
R
3
R
4
VR
1
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
112
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
dòng qua R
2
thay đổi theo làm I
Z
thay đổi. Để khắc phục điều này, ta thay chức năng của R
1
, R
2
bằng một nguồn dòng, như hình 6.7.
Nguồn dòng bao gồm các linh kiện Q
3
, Z
D2
, R
5
, R
e
. U
ZD2
= U
Re
+ U
EB(Q3)
= const và R
e
là
điện trở cố định nên U
BE(Q3)
không đổi do đó I
B(Q3)
và I
C(Q3)
không đổi.
Dòng colectơ của Q
3
được xác định:
UZD2 UBE Q 3
IC
Q 3
Re (6.7)
Với mạch ổn định hình 6.7 thì hệ số ổn định K
u
= 10.000 100.000 lần.
Hình 6.7: Bộ ổn áp có hồi tiếp với nguồn dòng
6.3.4. Bộ ổn áp với hiệu chỉnh nối tiếp, dùng IC KĐTT làm bộ khuếch đại so sánh
Muốn tăng hệ số ổn định của bộ ổn áp mà không phải dùng nguồn dòng, ta dùng IC
khuếch đại thuật toán OP-Amp làm bộ khuếch đại so sánh như sơ đồ hình 6.8. Vì IC OP-Amp
có hệ số khuếch đại rất lớn so với transistor, nên ta dùng IC OP-Amp làm bộ khuếch đại so
sánh thì hiệu quả ổn định sẽ rất cao.
Trong sơ đồ hình 6.8, Q
1
là PTHC, IC OP-Amp làm bộ khuếch đại so sánh, R
1
, Z
D
tạo
điện áp chuẩn đưa vào đầu (+) của IC, điện áp chuẩn được tạo từ điện áp đầu ra của mạch, nên
có độ ổn định rất cao, U
(+)
= UZD = Uch.
Hình 6.8: Bộ ổn áp
dùng IC OP-Amp
+
+
+
Q
1
UV
Ur
OP-Amp
R
1
R
2
R
ZD
3
Uht
Ur
(
)
IC
+
+
UV
Ur
R
3
VR
1
R
4
R
5
ZD
1
ZD
2
Re
Q
3
Q
1
Q
2
C
1
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
113
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
R
2
, R
3
tạo thành bộ phân áp hồi tiếp đưa vào đâu (-) của OP-Amp; U
(-)
= U
ht
.
Nếu muốn điện áp ra điều chỉnh được ta thay phân áp R
2
, R
3
bằng bộ phân áp có chiết áp
VR1 như sơ đồ hình 6.9.
Điện áp ra của bộ ổn áp:
R2 Uch UBE
Q 1 (6.8)
Ur Ur IC UBE Q 1 1 R3
R
2
U
ch
(đã chứng minh trong Điện tử tương tự) với U
r
IC
1
R
3
R
2
trong đó 1 là hệ số khuếch đại
của OP-Amp và U
ch
= U
ZD
.
R
3
Khi dòng tải yêu cầu lớn, đòi hỏi PTHC phải có công suất lớn, để đạt được điều này, ta
dùng PTHC nối theo mạch Darlington như hình 6.9.
Dòng ra tải I
r
=
2
.
1
.I
B2max
; I
B2max
là dòng cực gốc lớn nhất của Q
2
,
1
,
2
là hệ số khuếch
đại dòng của Q
1
, Q
2
.
Sơ đồ Darlington vừa cho ra dòng cao, vừa có trở kháng vào lớn, nên tải thay đổi nhiều
cũng không ảnh hưởng đến điện áp đầu ra của OP-Amp, nên U
r
rất ổn định.
Sơ đồ hình 6.9, dòng ra vẫn giới hạn bởi dòng collector của Q
1
. Muốn dòng tải cao hơn
nữa ta dùng PTHC là các transistor công suất nối song song như hình 6.10.
Khi
Hình 6.9: Bộ ổn áp dùng
PTHC là sơ đồ Darlington
+
+
+
Q
1
UV
Ur
OP-Amp
R
1
R
2
ZD
R
3
VR
1
Ir
Q
2
Ur
(
IC
)
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
114
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 6.10: Bộ ổn áp có dòng ra cao
dụng vi mạch khuếch đại thuật toán cần nhớ rằng dòng ra của nó bị hạn chế < 20mA, nên khi
dùng n transistor mắc song song, sao cho tổng các dòng cực gốc của các transistor không vượt
quá 20mA: n.I
Bmax
20mA, nhằm tránh quá tải cho IC.
Khi mắc các transistor song song, phải dùng các transistor có các thông số giống nhau
(cùng tên) và mắc nối tiếp với cực E của mỗi transistor một điện trở R
E
để tự điều chỉnh cho
dòng qua các transistor bằng nhau.
6.3.5. Các mạch bảo vệ hạn chế dòng, áp
Các linh kiện bán dẫn rất nhạy cảm với dòng lớn, khi dòng qua các linh kiện bán dẫn lớn
thì công suất tiêu tán trên nó lớn và nhiệt độ của lớp tiếp xúc tăng đến một giới hạn thì dòng
qua lớp tiếp xúc bán dẫn không còn điều khiển được, do đó bán dẫn chịu quá dòng, quá áp kém.
Vì vậy trong các mạch ổn áp sử dụng các transistor công suất làm PTHC thì phải có thêm các
mạch bảo vệ để tránh quá tải (quá dòng) cho phần tử hiệu chỉnh và bảo vệ tải khi PTHC bị sự
cố ngắn mạch.
1) Các mạch bảo vệ quá tải cho PTHC
a) Mạch bảo vệ thụ động
Trên sơ đồ hình 6.3, điện trở công suất R
2
mắc nối tiếp với PTHC Q
1
và với tải, nhằm
giảm điện áp rơi trên Q
1
, khi dòng tải tăng và nhất là khi bị ngắn mạch đầu ra (R
t
= 0), thì toàn
bộ công suất của nguồn vào đều đặt trên R
2
và trên Q
1
. Trường hợp này nếu không có R
2
thì Q
1
sẽ tiêu hao toàn bộ công suất của nguồn vào khi đầu ra ngắn mạch, Q
1
sẽ bị quá tải, dẫn đến dễ
bị phá hỏng. R
2
tránh quá tải cho Q
1
một cách thụ động. Khi mạch làm việc bình thường thì R
2
cũng tiêu hao năng lượng của nguồn, vì vậy hiệu suất của bộ ổn định thấp, mạch bảo vệ thụ
động chỉ sử dụng trong các bộ ổn định công suất nhỏ.
b) Mạch bảo vệ tích cực+ Dùng transistor:
sử
+
Q
2
Q
1
+
+
Re
2
Re
1
Qn
Ren
R
1
R
2
VR
1
R
3
ZD
OP-Amp
Ur
UV
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
115
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 6.11: Mạch hạn chế dòng (mạch bảo vệ tích cực)
Trong sơ đồ hình 6.11, Q
1
, Q
2
là PTHC, Q
3
khuếch đại sai lệch.
Q
4
, R
3
là mạch bảo vệ tích cực làm nhiệm vụ hạn chế dòng cho PTHC (Q
1
, Q
2
). R
3
là điện
trở cảm biến dòng, R
3
nối giữa cực B và E của Q
4
, điện áp rơi trên R
3
phân cực cho Q
4
. Trị số
của R
3
sao cho trong điều kiện dòng tải bình thường, điện áp rơi trên R
e
U
Re
< 0,7 V, chưa đến
ngưỡng dẫn của Q
4
và Q
4
không có tác dụng trong mạch. Khi dòng tải I
t
tăng, điện áp rơi U
R3
tăng theo cho đến khi U
R3
0,7V thì Q
4
dẫn, dòng I
C4
chảy qua R
1
làm điện áp rơi trên R
1
tăng
và điện áp cực gốc Q
2
giảm, Q
2
, Q
1
giảm độ khuếch đại và điện trở tương đương góp – phát Q
1
tăng, điện áp rơi trên Q
1
tăng làm điện áp ra giảm, kéo dòng tải I
t
trở lại giá trị bình thường.
R
3
trong sơ đồ hình 6.11 so với sơ đồ hình 6.3, R
3
có trị số nhỏ hơn nhiều so với R
2
, nên
tổn hao ít hơn, và R
3
có tác dụng điều chỉnh độ dẫn của Q
1
, Q
2
trong khi R
2
của sơ đồ hình
6.11chỉ đơn thuần giảm công suất tiêu tán cho Q
1
.
+ Dùng diode: ta cũng có thể dùng diode làm mạch hạn chế dòng để thay thế cho transistor
như trong sơ đồ hình 6.12
< 0,7V, Hình 6.12: Dùng diode để hạn chế dòng do đó
UBE1 +UR3 <
1,4V thì 2 diode D
1
, D
2
không thông, khi dòng tải tăng cho đến khi U
R3
0,7V dẫn đến U
BE1
+
U
R3
1,4V thì D
1
, D
2
thông, dòng chảy qua D
1
, D
2
làm tăng điện áp rơi trên R
1
, do đó U
B1
giảm,
Q
1
giảm độ dẫn sẽ kéo dòng tải trở lại giá trị bình thường.
2) Mạch bảo vệ quá áp cho tải
Các bộ ổn định điện áp có hệ số ổn định lớn thì điện áp đặt vào bộ ổn định có thể biến
đổi trong một phạm vi rộng, U
v
lớn nhất có thể lớn hơn nhiều điện áp danh định trên tải (U
r
).
Nếu PTHC bị sự cố ngắn mạch thì điện áp trên tải tăng đột biến bằng U
v
lớn nhất đó, sẽ gây
IC
4
Uc
h
Q
1
Q
2
Q
3
Q
4
+
+
Ur
R
4
VR
1
R
5
ZD
IT
R
3
Uv
R
1
R
2
Uc
h
Mạch
hạn chế
dòng
gồm
D
1
,
D
2
,
R
3
.
Khi
bình
dòng tải
điện áp
thường,
rơi trên
R
3
;
U
R3
Q
1
Q
2
+
+
Ur
R
4
VR
1
R
5
ZD
IT
R
3
Uv
R
1
R
2
0
6
,
V
D
1
D
2
Uc
h
Uht
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
116
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
nguy hiểm cho tải. Vì vậy, các bộ ổn định có hồi tiếp công suất lớn thường có mạch bảo vệ quá
áp ở đầu ra để bảo vệ tải khi PTHC bị ngắn mạch.
điện áp
Hình 6.13: Bộ ổn áp 1 chiều có hồi tiếp, có mạch bảo vệ quá áp
U
Z
lớn
hơn điện
áp
U
r
lớn nhất (khi mạch có điều chỉnh điện áp ra từ U
rmin
U
rmax
), nên trong dải vận hành bình
thường thì diode Z
D
không thông, điện áp rơi trên điện trở R bằng không và thyristor SCR
không thông, mạch bảo vệ quá áp không làm việc. Khi PTHC bị ngắn mạch, hay một nguyên
nhân gì làm U
r
vượt quá U
rmax
làm Z
D
thông, dòng qua Z
D
đặt trên điện trở R một điện áp mở
thyristro SCR, thyristor SCR thông, kéo điện áp ra xuống bằng điện áp thuận của thyristor
khoảng từ 1 1,5V và tải được an toàn. Khi đó, dòng qua SCR lớn và cầu chì F ở đầu vào sẽ
chảy ngắt mạch.
6.4. BỘ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP DÙNG VI MẠCH TÍCH HỢP 3 CHÂN
6.4.1. Giới thiệu chung về vi mạch tích hợp 3 chân
- Sự ra đời của các vi mạch tích hợp 3 chân đã làm cho cấu trúc
các bộ ổn định điện áp1 chiều trở nên đơn giản và thuậnh lợi hơn rất nhiều.
Các vi mạch có 3 cực: cực vào (IN); cực ra (OUT) và cực chung (COMMON) hoặc cực
điều chỉnh (adjustment).
- Có loại vi mạch được chế tạo theo các mức điện áp ra tiêu chuẩn
dương hoặc âm
- Có loại vi mạch được chế tạo để điện áp ra điều chỉnh được trong
một phạm vi rộng
Các loại vi mạch có mức điện áp ra tiêu chuẩn dương có các ký hiệu: XX78XX;
XX78MXX; XX78LXX.
Trong đó:
- Số 78 là họ ổn áp dương
- Trước số 78 có 2 chữ do hãng chế tạo đặt, ví dụ AN, LA, KA,…
- Nếu sau số 78 là 2 con số chỉ điện áp ra là loại vi mạch có dòng
ra cực đại1,5A.
- Nếu sau số 78 là chữ M thì dòng ra cực đại là 500mA.
- Nếu sau số 78 là chữ L thì dòng ra cực đại là 100mA.
Trên sơ
đồ hình
6.13
,
mạch
bảo vệ
quá áp
cho tải
bao
gồm
Z
D
,
R
và
thyristor
SCR.
Diode
Zener
Z
D
có
PTHC
Khuếch đại
sai lệch
Hạn dòng
Tạo áp
chuẩn
Hồi tiếp
UV
Ur
+
+
Mạch bảo vệ
quá áp
ZD
SRC
R
F
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
117
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Ví dụ: AN7805; KA7812 là các vi mạch ổn áp dương có mức điện áp ra +5V và +12V,
dòng ra cực đại là 1,5A.
AN78M08; KA78L09 là các vi mạch ổn áp dương có mức điện áp ra +8V và +9V dòng
ra cực đại của 2 vi mạch đó là 0,5A và 0,1A.
Các loại vi mạch có mức điện áp ra tiêu chuẩn âm có các ký hiệu XX79XX; XX79MXX;
XX79LXX.
Trong đó:
- Con số 79 là họ ổn áp âm
- Còn các ký hiệu khác giống như họ 78
Các vi mạch họ 78, 79 thường chế tạo theo các mức điện áp ra từ 3V; 5V; 8V; 9V;
12V; 15V; và 24V (dấu + cho họ 78, dấu – cho họ 79).
Điện áp vào cực đại của chúng là 35V và công suất tiêu tán lớn nhất của vi mạch là 15
W.
- Các loại vi mạch 3 chân mà điện áp ra ổn định và điều chỉnh trong
một phạm vi rộngnhư các loại LM317; LM238, có mức điện áp ra dương và
điều chỉnh được từ 1,2V đến 37V, với dòng ra cực đại 1,5A và làm việc với
điện áp 1 chiều đầu vào cực đại 40V, công suất tiêu tán lớn nhất 15W.
Hình dáng bên ngoài và bố trí chân cực của các IC ổn áp như hình 6.14a, b, c.
Chung Vào
(a) Họ 78 (b) Họ 79 Miếng kim loại
tỏa nhiệt
Vỏ chất
dẻo
Điều
Vào
chỉnh
Ra
(c) Điện áp ra điều chỉnh được
Hình 6.14: Hình dáng bên ngoài và bố trí chân của các loại vi mạch ổn định 3 chân
Cấu trúc bên trong của các loại vi mạch ổn định 3 chân như các hình dưới.
Vào
Miếng kim
loại tản
nhiệt
Vỏ chất
dẻo
Ra
Ra
Chung
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
118
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 6.15: Cấu trúc của IC ổn
Hình 6.17: Cấu trúc của IC ổn
định họ ổn áp dương và điện
định có điện áp ra điều chỉnh áp
ra tiêu chuẩn XX78XX
được
Hình 6.16: Cấu trúc của IC ổn
định họ ổn áp âm và điện áp ra
tiêu chuẩn XX79XX
Cấu trúc chung của các IC ổn định kiểu 3
chân bao gồm:
- 1 transistor làm phần tử hiệu chỉnh.
- 1 mạch so sánh.
- 1 mạch tạo điện áp chuẩn dùng nguồn dòng.
- 1 mạch bảo vệ hạn chế dòng.
Các mạch so sánh đều là mạch khuếch đại với hồi tiếp 100% nên có hệ số khuếch đại bằng
1. Vì vậy điện áp giữa chân ra và chân chung (với IC họ 78, 79), điện áp giữa chân ra với chân
điều chỉnh (loại IC có điện áp ra điều chỉnh) bằng điện áp chuẩn (điện áp của diode Zener). Do
đó, với 2 loại vi mạch họ 78, 79, mỗi loại vi mạch ứng với một mức điện áp ra nên mỗi loại có
một diode Zener riêng. Còn loại vi mạch có điện áp ra điều chỉnh được đều dùng diode Zener
tạo áp chuẩn có U
Z
= 1,25V.
6.4.2. Các mạch ổn định điện áp dùng vi mạch tích hợp 3 chân
D D
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
119
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
UV Ur UV Ur
Hình 6.18: Sơ đồ nối mạch ổn định điện áp dùng vi mạch 78 và 79
Ở đầu vào và đầu ra có nối các tụ C
1
, C
2
có trị số từ 10 100nF để ngắn mạch các xung
nhiễu cao tần, không ảnh hưởng đến sự làm việc của các vi mạch, đầu ra có các tụ lọc C
2
là tụ
hóa để ngắn mạch các thành phần xoay chiều tần thấp của tải.
Các vi mạch ổn định chịu điện áp ngược kém trong trường hợp đầu ra hở mạch trước khi
đầu vào cắt nguồn hoặc ngắn mạch, thì điện áp đầu ra vẫn được tích trên C
2
còn U
v
= 0, lúc này
vi mạch chịu điện áp ngược (U
r
> U
v
), để tránh hiện tượng này, người ta nối 1 diode D giữa đầu
vào và đầu ra của vi mạch theo phân cực ngược, và C
3
sẽ phóng qua diode D và nguồn dòng
làm cho U
R
giảm nhanh. Diode D có vai trò bảo
vệ vi mạch, chống điện áp ngược cho vi
mạch.
Hình 6.19: Sơ đồ nối mạch ổn định
điện áp dùng vi
mạch điều chỉnh được Ura
Ur
Các sơ đồ ổn định điện áp dùng các vi mạch có điện áp ra điều chỉnh được trong phạm vi
rộng như hình 6.19 điện trở R
1
nối giữa chân ra và chân điều chỉnh gọi là điện trở lập trình, chiết
áp V
R1
nối giữa chân điều chỉnh với điểm chung của mạch để xác định (điều chỉnh) điện áp ra.
Dòng qua R
1
chính là dòng qua V
R1
.
U
R
1
U
ch
1,25V
I
R1
(vì dòng tại chân điều chỉnh là rất nhỏ (50 A) nên bỏ qua và
R1 R1 R1
dòng qua R
1
bằng dòng qua V
R1
).
Điện áp giữa chân điều chỉnh với điểm chung (U
VR1
) gọi là điện áp điều chỉnh Uđc
Ur UR1 UVR1 Uch Udc Uch
XX78XX
C
1
C
2
C
3
Chung
vào
ra
1
2
3
XX79XX
C
1
C
2
C
3
Chung
vào
ra
2
1
3
LM317
UV
a
D
C
1
C
2
VR
1
R
1
Đ
i
ề
u ch
ỉ
nh
)
(
ADJ
1
2
3
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
120
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
URch
1
.VR1 Uch. 1 VRR11
R
1
Vì U
ch
= 1,25V nên U
r
1,25 1
V
R1
(6.9)
Tất cả các IC ổn định, để chúng có thể làm việc được trong giải ổn định thì điện áp đầu
vào thấp nhất
U
vmin
= U
r
+ 1,5V (6.10)
Nếu điện áp đặt vào thấp hơn thì transistor hiệu chỉnh trong vi mạch sẽ chuyển sang trạng
thái bão hòa, khi đó mạch không còn ổn định được nữa.
6.4.3. Các mạch nâng cao điện áp ra và dòng ra
Các họ vi mạch 78 và 79 đều có mức điện áp ra cố định, nếu tải cần điện áp ra cao hơn
điện áp ra của vi mạch sẵn có, thì ta có sơ đồ mạch như hình 6.20a, b.
UV Ur Ur
a)
Hình 6.20: Sơ đồ nâng cao điện áp ra
b)
Từ sơ đồ a) ta có: U
r
U
r IC
U
Z
Ur IC
Chọn diode Zener có I
Z
I
chung
. Các vi mạch họ 78, 79 có dòng chân chung, R
1
I
chung
=
0,004A.
Sơ đồ b): Ur = UR
1
+ UR
2
= Ur
(IC)
+ UR
2
Ur IC
U
R2
R1 0,004
R
2
(6.11)
Sơ đồ hình 6.21 là mạch nâng cao dòng ra. Các vi mạch ổn định có dòng ra thấp (tối đa
1,5A) ta muốn dòng cấp cho tải lớn hơn dòng ra của vi mạch còn điện áp ra tải ổn định bằng
điện áp ra của vi mạch, ta nối mạch theo sơ đồ hình 6.21.
+ T1 IT
1
Ir +
XX78XX
C
1
C
3
C
4
Chung
IR
1
IZ
ZD
Ichu
ng
C
2
Vào
Ra
1
2
3
XX78XX
C
1
C
3
C
4
Chung
UV
C
2
Vào
Ra
R
1
R
2
1
2
3
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
121
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 6.21: Sơ đồ nâng cao
dòng ra.
Trong sơ đồ dùng thêm một
transistor công suất T
1
, cùng với
transistor hiệu chỉnh trong vi
mạch tạo nên một biến thể của sơ
đồ Darlington, ta có Ir = I
(IC)
+ IT
1
6.5. NGUỒN ỔN ÁP ĐỐI XỨNG
Nguồn ổn áp đối xứng (còn gọi là nguồn ổn áp lưỡng cực) thường được sử dụng rất nhiều
như nguồn cấp cho các mạch dùng vi mạch khuếch đại thuật toán, mạch số…
Nguồn ổn áp đối xứng là nguồn có 2 điện áp ra ổn định có giá trị bằng nhau, có cực tính
ngược nhau và đối xứng qua điểm chung.
Để có nguồn ổn áp đối xứng thì cần phải có nguồn đối xứng, ta có thể tạo ra nguồn đối
xứng từ nguồn một chiều hoặc từ nguồn xoay chiều như hình 6.22a, b.
+ +
a) b)
Hình 6.22: Tạo nguồn đối xứng
Nếu tải cần công suất lớn (dòng lớn) ta dùng sơ đồ ổn áp đối xứng là transistor như sơ đồ
hình 6.23.
Trong sơ đồ: các transistor T
1
, T
2
và T'
1
, T'
2
là phần tử hiệu chỉnh của 2 vế, theo mạch
Darlington để tăng dòng ra.
- T
3
, T
4
, R
2
và T'
3
, T'
4
, R'
2
là bộ so sánh dùng mạch khuếch đại vi sai.
R
1
và R'
1
định thiên ban đầu (khi đóng nguồn đầu vào) cho T
4
và T'
4
.
R
3
, Z
D1
và R'
3
, Z'
D1
tạo điện áp chuẩn cho các bộ khuếch đại vi sai của 2 vế. Sau khi có Ur
thì tạo điện áp chuẩn từ điện áp ra qua D
1
và D'
1
.
R
4
, VR
1
, R
5
và R'
4
, VR'
1
, R'
5
là phân áp hồi tiếp từ đầu ra 2 vế về các bộ so sánh.
Các chiết áp VR
1
và VR'
1
để điều chỉnh Ur
(+)
, Ur
(-)
là 2 chiết áp đồng trục.
UV
2
V
U
2
V
U
C
1
C
2
0
+
+
XX78XX
Ur
UV
I
(
IC
)
C
1
R
1
C
2
C
3
C
4
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
122
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
UV
+
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
123
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
6.6. MẠCH ỔN DÒNG
Các mạch ổn dòng (hay còn gọi là nguồn dòng cố định) cung cấp cho tải một dòng cố
định khi tải thay đổi hoặc điện áp vào thay đổi.
6.6.1. Mạch ổn dòng dùng transistor
Hình 6.25: Mạch ổn dòng
dùng
transistor UV Rt
Một transistor công suất loại P-N-P nối tiếp với tải theo mạch cực gốc chung – với vai trò là
PTHC.
- R
1
nối tiếp với cực Emitter của T
1
có nhiệm vụ hiệu chỉnh điện áp U
EB
của T
1
khi
dòng I
E
biến đổi vì nhiệt và giảm công suất tiêu tán T
1
khi tải giảm quá nhỏ hay ngắn mạch
tải.
Diode Zener Z
D
nối giữa đường nguồn vào với cực B của T
1
cùng với R
2
tạo áp chuẩn cho
T
1
.
Tính dòng tải:
It Ic IE UR1 U ch UEB (6.12)
R1 R1
(vì dòng I
B
<< nên ta coi I
E
=I
C
)
Từ (5.14) ta thấy dòng tải chỉ phụ thuộc vào điện áp chuẩn của Zener U
ch
, vào U
EB
và R
1
,
mà không phụ thuộc vào điện áp đặt vào U
V
và điện trở R
t
. Còn các số hạng: R
1
là cố định, U
ch
là điện áp ổn định của Zener và U
EB
ổn định tốt theo các thông số thiết kế trong giải làm việc
của mạch khi R
t
biến đổi.
Tuy nhiên, khi U
V
biến đổi thì U
ch
cũng thay đổi nhỏ và U
EB
biến đổi từ 0,6V 0,7V, nên
dòng tải cũng biến đổi ít khi U
v
thay đổi.
6.6.2. Mạch ổn dòng dùng IC ổn định 3 chân
Có thể dùng các loại vi mạch ổn áp 3 chân như các họ ổn áp dương, ổn áp âm (họ 78 và
79) hoặc họ ổn áp có điện áp ra điều chỉnh được (LM317, 238) làm mạch ổn dòng, có sơ đồ như
hình 6.26.
-
R
1
T
1
It
C
E
B
ZD
R
2
IE
Uc
h
+
Ur
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
124
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 6.26: Mạch ổn dòng
dùng IC ổn áp 3 chân UV
Nối điện trở R
1
giữa chân ra và chân điều
chỉnh (ADJ) (với họ 78 thì R
1
nối giữa chân ra với
chân chung) giá trị điện trở R
1
xác định dòng tải (với loại LM317 hay LM238), dòng tại chân
điều chỉnh 50 A là rất nhỏ, nên bỏ qua), ta có:
U
R
1
U
ch
1,25V
I
t
I
R1
(6.13)
R1 R1 R1
Khi dùng vi mạch ổn áp 3 chân làm mạch ổn dòng thì hiệu suất thấp, nhất là với các họ
78, 79.
P
Rt
P
Rt
.100 % (6.14) %
Pv PRt PR1 PIC
Trong đó: P
V
tổng công suất mạch nhận từ nguồn, P
Rt
:
công suất cấp cho tải.
P
R1
: công suất tổn hao trên R
1
.
P
IC
: công suất tổn hao trên vi mạch.
6.7. NGUỒN ỔN ÁP MỘT CHIỀU KIỂU CHUYỂN MẠCH
6.7.1. Khái niệm về nguồn ổn áp kiểu chuyển mạch
Vào giữa những năm 70 của thập kỷ 20 đã ra đời một loại nguồn ổn áp mới đó là nguồn
chuyển mạch (Switching Power) (còn gọi là nguồn ổn áp xung). Nguồn cấp điện kiểu chuyển
mạch đã khắc phục được tất cả các nhược điểm của bộ nguồn ổn áp tuyến tính.
Trước hết ta khảo sát ví dụ hình 6.27 để biết được khái niệm về nguồn chuyển mạch.
Hình 6.27: Mô tả khái niệm về nguồn chuyển mạch
iT
1
Mạch điều
khiển
Uv
T
1
L
1
D
1
C
1
u
1
Ir
+
Ur
Ra
Vào
C
2
C
3
3
LM317
+
IR
1
R
1
It
Rt
Đ
i
ề
u ch
ỉ
nh
(
ADJ
)
1
2
Ur
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
125
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Chức năng các phân tử trong mạch hình 6.27:
+ Transistor T
1
làm nhiệm vụ chuyển mạch nhanh dưới sự điều khiển của mạch điều khiển,
để biến điện áp một chiều đầu vào U
v
thành chuỗi xung vuông tại cực E.
+ Điốt ghim (free-weeling diode) làm nhiệm vụ ghim mức điện áp đặt trên T
1
không vượt
quá điện áp U
V
khi T
1
tắt, và đảm bảo dòng ra I
r
là liên tục khi T
1
tắt.
+ L
1
là cuộn chặn phải có trị số điện cảm đủ lớn, cùng với C
1
làm thành bộ lọc L C
1 1
để
tạo điện áp một chiều U
r
với hệ số gợn sóng cần thiết.
+ Mạch điều khiển: tạo chuỗi xung vuông chu kỳ T điều khiển T
1
. Xung điều khiển đặt
trên 2 cực B và E của T
1
.
Nguyên lý hoạt động của mạch:
Khi xung điều khiển mức cao (Hình 6.28) (thời gian mở: t
m
), T
1
thông bão hoà (T
1
mở), có
dòng i
T1
từ U
v
qua T
1
, L
1
, tải, giả thiết lúc T
1
mở, sụt áp trên T
1
bằng 0, và điện áp u
1
bằng U
v
(Hình 6.28). Dòng i
T1
qua cuộn chặn L
1
, cuộn chặn L
1
tích năng lượng dưới dạng từ và D
1
tắt do
phân cực ngược.
Khi xung điều khiển mức thấp, T
1
đóng (hay ngắt), i
T1
về 0, lúc này trên L
1
xuất hiện sức
điện động tự cảm làm D
1
phân cực thuận và dẫn, có dòng i
D1
khép kín qua tải (Hình
6.28d).
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
126
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 6.28: Các dạng điện áp, dòng điện tại các điểm của mạch hình 6.28
Ta có I
r
i
T1
(khi T
1
đóng) i
D1
(khi T
1
mở) là liên tục và bằng phẳng nhờ có bộ lọc đầu ra
L C
1 1
(hình 6.28e). Điện áp ra U
r
là điện áp trung bình của điện áp u
1
hay là giá trị DC.
t
m
U
v
(6.15)
U
r
U
v
T T
trong đó U
v
là trị số điện áp một chiều (DC) đầu vào, t
m
thời gian chuyển mạch T
1
mở
hay độ rộng ; T chu kỳ mở T
1
.
Khi T
1
thông, điện áp u
1
tăng đột biến bằng U
v
và giữ nguyên giá trị trong thời gian T
1
thông, lúc T
1
bắt đầu tắt, u
1
giảm đột biến về 0, dạng điện áp U
1
giống dạng điện áp điều khiển.
Dạng dòng chuyển mạch i
T1
qua cuộn chặn L
1
không giống như dạng điện áp U
1
, vì dòng
chuyển mạch qua cuộn cảm, do tính chất của cuộn cảm nên dòng qua cuộn cảm không tăng và
giảm một cách đột biến.
Uđk
u
1
Uv
T
tm
(
)
tt
i
T1
i
D1
i
L1
Ir
I
2
I
1
I
2
I
1
a)
b)
c)
d)
e)
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
127
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Khi T
1
mở, giả thiết ở thời điểm đó, sụt áp trên T
1
bằng 0 nên có 1 điện áp không đổi trên
L
1
là U
v
U
r
với điện áp không đổi trên L
1
, dòng qua nó tăng một cách tuyến tính từ I
1
đến I
2
với
tốc độ di
dt
L
1
U
v
L
1
U
r
, điều này giải thích cho dòng i
T1
qua cuộn chặn L
1
tăng tuyến tính như
hình 6.28c.
Khi T
1
đóng, điện áp (sức điện động tự cảm) trên L
1
phân cực ngược ngay, để cố duy trì
dòng I
2
mà đã chảy qua trước khi T
1
tắt. Sự phân cực ngược này gọi là tác động ngược của cuộn
cảm L
1
, nhờ có điốt D
1
mà lúc này điện áp ở điểm trước của L
1
(điểm bên trái L
1
) được chốt ở
mức (-1V) so với đất (điện áp thuận trên điốt là 0,7V, lấy tròn là 1V), và điện áp phân cực ngược
trên L
1
lúc này là U
r
1, điện áp này tạo một dòng i
D2
giảm từ I
2
đến I
1
một cách tuyến tính với
tốc độ di
d
1
U
r
1 như trên hình 6.28d.
dt L
1
Dòng qua L
1
là i
L1
là tổng của dòng T
1
lúc mở và qua i
D1
lúc T
1
tắt là dạng răng cưa như
hình 6.28e, và I
r
là dòng trung bình của I
L1
,I
r
là thành phần một chiều thuận tuý nhờ bộ lọc L C
1
1
.
Nếu không có D
1
thì khi T
1
tắt, điện áp đột biến đặt trên T
1
sẽ là U
v
U
L1
U
r
, điện áp
đột biến trên L
1
rất lớn làm transistor chuyển mạch T
1
dễ bị phá hỏng. Khi có D
1
thì điện áp tại
cực E của T
1
được ghim ở mức (-1V) so với điểm đất, do đó điện áp mà T
1
chịu đựng khi nó tắt
chỉ là U
v
1 , vì vậy D
1
có tên là điốt ghim (free-weeling diode). Các bộ nguồn hoạt động
theo chu kỳ đóng-mở để biến đổi từ điện áp một chiều thành một chiều như hình 6.27 thì gọi là
nguồn chuyển mạch.
Nhắc lại công thức tính điện áp một chiều đầu ra ở biểu thức 6.15:
U
r
U
v
; trong đó
được gọi là hệ số lấp đầy.
T T
Ta thấy điện áp một chiều đầu ra U
r
phụ thuộc điện áp một chiều đầu vào U
v
; độ rộng
xung điều khiển và chu kỳ xung điều khiển T.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
128
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Muốn U
r
không đổi khi U
v
thay đổi, hoặc muốn U
r
điều chỉnh được khi U
v
không đổi, ta
thay đổi hệ số lấp đầy .
Có 3 phương pháp điều khiển :
- thay đổi và giữ nguyên T.
- thay đổi T và giữ nguyên .
- thay đổi kết hợp cả T và .
Phương pháp thay đổi và giữ nguyên T, được gọi là phương pháp "điều chế độ rộng
xung" (Pulse-Width Modulation PWM). Phương pháp điều chế động rộng xung được sử dụng
phổ biến nhất trong các bộ ổn áp kiểu chuyển mạch.
Khi điện áp U
v
tăng, có xu hướng điện áp U
r
có thể tăng hoặc khi tải giảm, xu hướng U
r
tăng thì khối điều khiển giảm độ rộng xung điều khiển ( ) và ngược lại.
Khi muốn tăng điện áp ra, ta tăng độ rộng xung điều khiển và ngược lại.
Các bộ nguồn chuyển mạch có ổn định điện áp ra được gọi là nguồn ổn áp kiểu chuyển
mạch (hay còn gọi là nguồn ổn áp xung, nguồn ổn áp ngắt quãng)
Mạch điện như hình 6.27 hoạt động theo nguyên lý "điều chế độ rộng xung" để ổn định
điện áp một chiều đầu ra là mạch "ổn áp chuyển mạch BUCK".
6.7.2. Sơ đồ khối tổng quát của bộ nguồn ổn áp kiểu chuyển mạch theo nguyên lý “điều
chế độ rộng xung”
Hình 6.29: Sơ đồ khối tổng quát của bộ nguồn ổn áp kiểu chuyển mạch
(1) Mạch lọc nhiễu tần số cao đầu vào.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
129
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
(2) mạch chỉnh lưu và lọc sơ cấp.
(3) mạch chuyển mạch chính (chuyển mạch tần số cao)
(4) mạch chỉnh lưu và lọc thứ cấp.
(5) mạch hồi tiếp
(6) mạch khuếch đại sai số (khuếch đại vi sai).
(7) mạch tạo điện áp chuẩn (8) mạch tạo điện áp sóng tam giác.
(9) mạch điều chế độ rộng xung. (10)
mạch khuếch đại và đảo pha.
(11) mạch hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) – ở các bộ nguồn công suất lớn.
Nếu bộ nguồn làm việc với điện áp vào là AC, thì:
U
V ~
là điện áp dây (380V) – với bộ nguồn công suất lớn.
U
V ~
là điện áp pha (220V) – với bộ nguồn công suất nhỏ.
Nếu bộ nguồn làm việc với điện áp vào là DC (từ acquy axithay dàn pin mắt trời) thì
không có mạch chỉnh lưu và lọc sơ cấp (2).
Đầu vào (9) còn có các tín hiệu khống chế khác như tín hiệu bảo vệ (P) để tự động tắt bộ
nguồn khi có sự cố.
Tần số công tác (tần số chuyển mạch) của bộ nguồn là tần số của mạch tạo xung tam giác
(8) trong khoảng 10kHz 100kHz, làm việc với tần số nào trong dải tần số này tuỳ thuộc vào
từng bộ nguồn. Các bộ nguồn dùng trong viễn thông thường nằm trong khoảng 30kHz 85kHz
với khoảng tần số đó, các biến áp xung, cuộn chặn có lõi pheris có hệ số từ thẩm lớn, do đó
số vòng dây cũng như kích thước, trọng lượng của biến áp xung và cuộn chặn giảm đi rất nhiều
và tổn hao một chiều trên các phần tử đó cũng rất ít. Trị số và kích thước tụ lọc san bằng rất
nhỏ. Nếu tần số cao hơn, thì hiệu suất của bộ nguồn giảm thấp vì tổn hao của bộ nguồn tỷ lệ
nghịch với chu kỳ chuyển mạch T, và khi tần số cao thì năng lượng điện sẽ biến thành năng
lượng từ trường, điện trường và phát xạ tại chỗ trên các dây dẫn, biến áp, cuộn chặn.v.v… nên
hiệu suất của bộ nguồn sẽ thấp.
Mạch chuyển mạch chính sử dụng các transistor lưỡng cực, MOSFET, IGBT công suất
lớn, có tốc độ chuyển mạch cao, công tác ở 2 trạng thái bão hòa và ngắt nên có tổn hao nhỏ so
với transistor PTHC trong bộ nguồn tuyến tính, nên tỏa nhiệt cho các transistor chuyển mạch
đơn giản, vì vậy dòng ra của bộ nguồn có thể rất lớn, hàng trăm Ampe.
So với bộ nguồn ổn áp tuyến tính, bộ nguồn ổn áp kiểu chuyển mạch có những ưu điểm
nổi bật:
- Hiệu suất cao tới trên 90%.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
130
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
- Dải ổn định rộng.
- Công suất lớn.
- Kích thước, trọng lượng nhỏ.
Tuy nhiên các bộ nguồn ổn áp chuyển mạch có nhược điểm là gây nhiễu lớn (nhiễu tần
số vô tuyến RFI) cho các thiết bị khác. Cấu trúc mạch điện phức tạp.
6.7.3. Một số mạch trong bộ nguồn ổn áp kiểu chuyển mạch
6.7.3.1. Mạch lọc nhiễu tần số cao đầu vào
Bộ nguồn chuyển mạch ở tần số cao, nên nó sinh ra rất nhiều thành phần hài bậc cao, các
tần số hài này nằm trong dải tần số vô tuyến, nên bộ nguồn sẽ là một nguồn gây nhiễu rất lớn ở
tần số cao (RFI) cho các thiết bị khác ở trong vùng, nhất là các thiết bị thu vô tuyến.
Nếu trên đường dây vào có các tín hiệu nhiễu lớn cao tần làm điện áp vào đột biến sẽ ảnh
hưởng lớn đến sự làm việc của chuyển mạch.
Do đó nhiệm vụ của mạch lọc nhiễu đầu vào là:
Chặn các nhiễu cao tần của bộ nguồn không ra đường dây để gây nhiễu.
Chặn các nhiễu cao tần từ đường dây không vào bộ nguồn để ảnh hưởng đến sự làm việc
của phần tử chuyển mạch.
Không tổn hao đối với dòng điện vào (dòng một chiều hay dòng AC 50Hz) Từ
các yêu cầu trên mạch lọc nhiễu đầu vào có cấu trúc như hình 6.30.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
131
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
b)
Hình 6.30: Các mạch lọc nhiễu tần số cao đầu vào
a) mạch lọc nhiễu với đầu vào 2 dây; b) mạch lọc nhiễu với đầu vào 3 dây – 3 pha.
Hai đầu mạch lọc nhiễu có các tụ điện tần số cao (khoảng vài chục nF) nối giữa các dây
dẫn với đất, để nối tắt các xung nhiễu cao tần không đối xứng giữa các dây dẫn với nhau và giữa
các dây dẫn với đất, đối với dòng điện tần số 50/60Hz thì trở kháng của các tụ điện đó gần như
là vô cùng. Các cuộn chặn cao tần L L
1 2
, và L L L
1 2 3,
, có cùng số vòng dây, cùng chiều cuốn
dây và cuốn trên cùng 1 lõi, như vậy sẽ có trở kháng rất lớn đối với các nhiễu cao tần cùng chiều
(nhiễu đối xứng) trên các dây dẫn, còn đối với dòng công tác ngược chiều và tần số 50/60Hz thì
các cuộn chặn đó có trở kháng coi như bằng 0.
6.7.3.2. Mạch chỉnh lưu và lọc sơ cấp
Bộ nguồn mà đầu vào là nguồn AC thì phải có mạch này trước khi vào mạch chuyển mạch
chính. Nguồn AC vào có thể là 1 pha (2 dây) nếu bộ nguồn công suất vừa và nhỏ, hoặc 3 pha
(3 dây) nếu bộ nguồn công suất lớn. Mạch chỉnh lưu và lọc sơ cấp có nhiệm vụ biến dòng điện
xoay chiều tần số 50/60Hz thành một chiều và chỉ cần lọc sơ bộ bằng tụ điện rồi cung cấp cho
mạch chuyển mạch chính, các mạch chỉnh lưu thường dùng là mạch chỉnh lưu cầu 1 pha và cầu
3 pha như hình 6.31.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
132
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Nếu mạch làm việc với điện áp xoay chiều 1 pha 2 mức 120/220V thì mạch chỉnh lưu, lọc
sơ cấp như hình 6.31a. Khi làm việc với điện áp 120V thì chuyển mạch S
1
đóng và mạch chỉnh
lưu 4 điốt và 2 tụ lọc C C
1 2
, lúc này hoạt động như 1 mạch chỉnh lưu bội áp toàn sóng.
a) b)
Hình 6.31: Các mạch chỉnh lưu
và lọc sơ cấp thường dùng
trong bộ nguồn chuyển mạch.
c)
Khi làm việc với điện áp 220V thì chuyển mạch S
1
hở và mạch chỉnh lưu lúc này là chỉnh
lưu cầu 1 pha, với mạch chỉnh lưu này thì mạch chuyển mạch chính thường nối theo kiểu bán
cầu.
Nếu bộ nguồn làm việc với điện áp 1 pha, một mức và chuyển mạch chính nối theo kiểu
cầu thì mạch chỉnh lưu và lọc sơ cấp như hình 6.31b, chỉnh lưu là kiểu cầu 1 pha và lọc bằng 1
tụ điện C
1
.
Nếu bộ nguồn công suất lớn, làm việc với điện áp 3 pha (380V) thì dùng mạch chỉnh lưu
và lọc như hình 6.31c. Vì điện áp sau chỉnh lưu khá cao (550 600V) nên dùng 2 tụ điện nối
tiếp để giảm điện áp chịu đựng lên tụ và chuyển mạch chính là 2 nửa cầu nối tiếp nhau.
6.7.3.3. Mạch chuyển mạch chính (chuyển mạch tần số cao) và chỉnh lưu, lọc thứ
cấp
220VAC
120 -
D
1
D
3
C
1
D
2
D
4
C
2
320
VDC
+
220
V
(120)
C
1
+
S
1
380
VAC
C
1
C
2
560
VDC
+
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
133
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Khối này còn được gọi là "Bộ biến đổi một chiều vào một chiều" mạch điện trong khối
này rất đa dạng, tùy thuộc công suất của bộ nguồn, điện áp vào và các yêu cầu kỹ thuật khác.
Ta chỉ đưa ra một số mạch thường hay dùng nhất.
1) Mạch có điện áp ra cao hơn điện áp đầu vào
Mạch hình 6.27 mà ta đã xét ở mục 6.7.1 có điện áp một chiều ra thấp hơn điện áp một
chiều đầu vào U
r
U
v
. Muốn có điện áp ra cao hơn điện áp đầu vào, ta sử dụng mạch hình
6.32.
Mạch này còn gọi là bộ ổn định có khuếch đại (Boost Regulator) hay mạch có bước tăng
(step-up). Khi T
1
mở (xung điều khiển mức cao), D
1
tắt do phân cực ngược, dòng qua cuộn chặn
L
1
và L
1
được tích trữ một năng lượng dưới dạng từ trường. Trong thời gian T
1
mở, dòng cấp
cho tải hoàn toàn từ C
1
, C
1
phải chọn đủ lớn để cung cấp dòng tải trong thời gian t
m
với sự giảm
biên độ là nhỏ nhất.
Khi T
1
tắt, dòng qua T
1
mất đột ngột nhưng dòng qua L
1
không thể thay đổi ngay được,
nên xuất hiện sức điện động tự cảm trên L
1
, và bây giờ điểm không chấm (điểm dưới) của L
1
là
dương so với điểm có chấm (điểm trên), điểm có chấm của L
1
là U
v
, nên bây giờ năng lượng
tích trữ trên L
1
nạp cho C
1
thông qua điốt D
1
với 1 điện áp cao hơn U
v
U
v
U
L1
và làm đầy lại
điện áp trên C
1
mà nó đã phóng cho tải khi T
1
mở.
Mạch này cho công suất một chiều đầu ra thấp (Pr < 100W) và có điện áp một chiều đầu
vào thấp dễ tạo điện áp một chiều đầu ra ổn định và cao hơn điện áp vào.
+
Uv
t
m
t
t
L
1
D
1
C
1
R
1
R
2
Rt
+
+
PWM
KĐSS
Uch
+
T
1
Hình 6.32: Mạch có điện áp ra cao hơn điện áp vào.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
134
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Mạch hình 6.32 có điện áp đầu ra:
R
1
U
v
1 t
m
07, (6.16)
U
r
U
ch
1 R
2
tt
Trong đó: U
ch
là điện áp chuẩn đưa đến đầu (+) của bộ khuếch đại sai lệch.
R R
1 2
, các điện trở trong mạch phân áp hồi tiếp.
t
m
thời gian T
1
mở (độ rộng xung điều khiển ) t
t
thời gian T
1
tắt.
0,7V điện áp rơi trên điốt D
1
khi thông.
2) Mạch đảo pha cực tính
Mạch chuyển mạch của bộ nguồn ổn định kiểu chuyển mạch, tạo điện áp ổn định đầu ra
có cực tính ngược với cực tính của điện áp vào, hình 6.33.
T D
1 1
Hình 6.33: Mạch đảo pha cực tính
Khi T
1
mở, dòng từ U
v
chảy qua cuộn chặn L
1
, điện áp trên cực E của T
1
bằng U
v
, và D tắt
do phân cực ngược, cuộn chặn L
1
được tích năng lượng dưới dạng từ. Khi T
1
tắt trên L
1
có phân
cực ngược (đầu có chấm của L
1
âm so với điểm đất ở dưới) để duy trì dòng qua nó không đổi
+
+
Uv
Ur
C
1
L
1
R
1
R
2
Uc
h
K
Đ
SS
tt
tm
+
PWM
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
135
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
làm D
1
thông và C
1
được nạp, đến khi T
1
mở thì D
1
tắt và C
1
lại phóng qua tải, tạo cho điện áp
U
r
có cực tính ngược với U
v
.
Bỏ qua tổn hao trên các phần tử, điện áp một chiều đầu ra được tính theo công thức 7.3.
tm Uv tm Uv
(6.17) Ur U v tm tt T T
3) Mạch chuyển mạch đơn biến đổi thuận
Các mạch hình 6.27, 6.32, 6.33 đều có điểm chung giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào,
nên điện áp ra không cách ly với điện áp vào. Mạch chuyển mạch đơn biến đổi thuận được trình
bày trên hình 6.34 được sử dụng rất phổ biến trong các bộ nguồn chuyển mạch có công suất ra
nhỏ hơn 500W và điện áp đầu vào nhỏ hơn 200Vdc. Mạch hình 6.34 còn cho ta mạch ra cách
ly với mạch vào và điện áp ra có thể có nhiều mức khác nhau bằng cách thay cuộn chặn L
1
trong
hình 6.32 bằng một biến áp xung, thứ cấp có nhiều cuộn dây.
Hình 6.34: Chuyển mạch đơn biến đổi thuận
Phía sơ cấp biến áp xung có 2 cuộn dây, W
11
là cuộn sơ cấp chính; W
12
là cuộn dây tái lập
(reset), số vòng của 2 cuộn bằng nhau và cùng chiều cuốn. Phía thứ cấp có thể có nhiều cuộn
dây tùy theo các mức điện áp ra mà tải yêu cầu. Điện áp hồi tiếp được lấy từ nguồn ra chính
U
r1
. Mạch hình 6.34 còn một thuận lợi là nếu một trong những đầu ra cần điện áp đảo cực
với các đầu ra khác thì chỉ cần đẩo chiều các điốt, tụ điện lọc và cuộn dây thứ cấp của của mạch
chỉnh lưu thứ cấp đó. Khi T
1
mở, có dòng sơ cáp từ U
v
chảy vào điểm có chấm của cuộn sơ
cấp W
11
, điện áp U
v
đặt trên W
11
và điểm có chấm của W
11
là dương đối với điểm không chấm
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
136
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
(điểm dưới của W
11
), vì các cuộn thứ cấp cùng chiều cuốn dây với cuộn sơ cấp, nên các đầu có
chấm của các cuộn thứ cấp cũng cảm ứng các điện áp dương so với các đầu không có chấm nên
các điốt chỉnh lưu D D
2
,
3
được phân cực thuận, các dòng chỉnh lưu chảy ra từ các điểm có chấm
của các cuộn thứ cấp đến các bộ lọc LC và các tải. Như vậy công suất cấp cho tải khi transistor
T
1
đang mở ngược lại với các mạch hình 6.32 và 6.33, nên mạch hình 6.34 được gọi là mạch
"biến đổi thuận" hay còn được gọi là mạch "đồng pha dẫn" (vì khi transistor mở thì cuộn sơ cấp,
thứ cấp đều có điện áp, các điốt chỉnh lưu làm việc và dòng chảy đến tải, tất cả đều diễn ra khi
T
1
mở).
Hệ thống mạch sau các catốt của điốt chỉnh lưu giống như D L
1 1
, của bộ ổn định BUCK
hình 6.27, D D
4
,
5
hoạt động như các điốt ghim, khi T
1
tắt và sức điện động tự cảm trên L L
1 2
,
xuất hiện.
Nếu kể đến sụt áp trên transistor T
1
khi mở là 1V, điện áp thuận đặt trên các điốt chỉnh
lưu là 0,7V, bỏ qua tổn hao rên biến áp xung và các cuộn chặn, các điện áp một chiều ra được
tính như sau:
W21 07, .tm Ur1 Uv
1
W
11
T
(6.18)
W22 07, .tm Ur2
Uv 1 W
11
T
Khi T
1
tắt, năng lượng tích trữ trong từ cảm của biến áp Tr làm phân cực ngược điện áp
trên W
11
. Bây giờ tất cả những đầu có chấm của các cuộn sơ cấp và thứ cấp sẽ âm đối với những
đầu không chấm, và điểm có chấm của cuộn W
12
sẽ âm nhanh, vì 2 cuộn W
11
và W
12
có cùng số
vòng, cùng chiều cuốn và nối tiếp nhau, nên điểm không chấm của W
11
dương so với điểm có
chấm của W
12
và điện áp đột biến trên W
11
và W
12
lúc này sẽ rất lớn, ít nhất là 2 lấn Uv, gây ra
transistor T
1
thác lũ và phá hỏng nó. Điốt D
1
nối ngang qua 2 đầu không chấm của W
11
và đầu
chấm của W
12
, chốt điện áp trên W
11
, W
12
lúc này bằng sụt áp thuận của D
1
là 1V (lấy tròn) bảo
vệ cho transistor T
1
không bị phá hỏng.
Dòng chảy qua cuộn W
11
là dòng một chiều, vì vậy vòng từ trễ của lõi biến áp Tr dần dần
sẽ bị đẩy đi theo một hướng khác mà không tái lập lại vị trí ban đầu giống nhau sau mỗi chu kỳ
như những lõi có dòng xoay chiều trong các cuộn dây, điều đó dẫn đến lõi làm việc trong vùng
bão hòa, và tổn hao sẽ rất lớn, và transistor sẽ bị phá hủy. Để tránh trạng thái này, cuộn dây phụ
W
12
có nhiệm vụ tái lập lại điểm xuất phát của vòng từ trễ về đúng vị trí ban đầu trên vòng từ
trễ trước khi dịch chuyển cùng hướng một lần nữa trong chu kỳ tiếp theo. Nghĩa là cuộn dây
W
12
đảm bảo cho vòng từ trễ trong lõi biến áp Tr hoàn toàn giống nhau từ điểm xuất phát, hướng
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
137
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
đi, điểm cuối cùng và đường về ở tất cả các chu kỳ trong thời gian mạch hoạt động, giữ cho lõi
sắt từ không bão hòa.
+ Điện áp chịu đựng lớn nhất lúc tắt trên transistor công suất:
Trong mạch biến đổi thuận hình 6.34, số vòng dây của cuộn tái lập (Reset) W
12
bằng số
vòng dây của cuộn W
11
, điện áp lớn nhất lúc tắt trên transistor công suất gấp 2 lần điện áp Uv
lớn nhất cộng với xung nhọn rò do điện cảm rò của biến áp và dây dẫn (vì tần số cao).
Hình 6.35: Dạng điện áp trên cực C của transistor công suất
trong bộ biến đổi thuận - đơn.
Như mô tả trên hình 6.35, trong thực tế biên độ xung nhọn rò chiếm khoảng 30% của 2
lần điện áp vào lớn nhất. Do đó điện áp đặt trên transistor công suất lúc tắt lớn nhất là:
Uc max 132, Uv max (6.19)
4) Mạch chuyển mạch đẩy kéo
Mạch chuyển mạch đẩy kéo được trình bày trên hình 6.36.
tm
xung nhọn rò
2
Uv
Uv
0
V
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
138
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 6.36: Mạch chuyển mạch đẩy kéo
Đầu ra yêu cầu có bao nhiêu mức điện áp thì có bấy nhiêu cuộn thứ cấp. Đầu ra nào đảo
cực với các đầu ra khác thì các điốt chỉnh lưu của đầu ra đó được nối đổi chiều (D
5
, D
6
). Một
chu kỳ của xung điều khiển 2 transistor chuyển mạch T
1
, T
2
thay nhau làm việc.
Mỗi cuộn sơ cấp có điện áp Uv đặt lên nó khi transistor nối tiếp với nó thông, một chu kỳ
của xung điều khiển có 2 dòng và 2 điện áp Uv thay nhau đặt lên 2 nửa cuộn sơ cấp mỗi khi
transistor nối tiếp với 2 nửa cuộn sơ cấp thông. Vì vậy mạch đẩy kéo giống như 2 mạch đơn
biến đổi thuận nối song song nhau và làm việc ngược pha nhau, nên các mạch chỉnh lưu phía
thứ cấp là chỉnh lưu toàn sóng với các cuộn thứ cấp ra điểm giữa.
Điện áp hồi tiếp lấy từ đầu ra chính Ur
1
.
Khối điều khiển phải tạo ra 2 chuỗi xung có độ rộng thay đổi giống nhau nhưng ngược
pha nhau để điều khiển 2 transistor chuyển mạch T
1
, T
2
.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
139
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
- Giả sử khi transistor thông, điện áp tren nó là 1V và điện áp thuận trên điốt là 0,7V, bỏ
qua tổn hao trên biến áp, cuộn chặn, ta có điện áp một chiều ra:
W21 07,
2Ttm Ur1 Uv 1 W11
Ur2 Uv 1 WW2211 07, 2Ttm (6.20)
W23 07,
2Ttm Ur3 Uv 1 W11
+ Trong mạch đẩy kép, các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có 2 dòng điện bằng nhau và ngược
chiều chẩy trong mỗi nửa cuộn trong 1 chu kỳ, nên trong 1 chu kỳ không có thành phần một
chiều trong biến áp, nên vòng từ trễ của lõi biến áp không đi vào vùng bão hòa, nó lặp lại giống
nhau sau mỗi chu kỳ tắt, mở.
+ Điện áp đặt trên transistor chuyển mạch khi tắt.
Do 2 nửa cuộn sơ cấp biến áp nối tiếp nhau, cùng chiều cuốn (nhìn từ các đầu có chấm
của biến áp trên sơ đồ) nên khi 1 trong 2 transistor mở, cực C của transistor đổi diện (transistor
tắt) sẽ chịu 1 điện áp ít nhất bằng 2 lần điện áp Uv lớn nhất cộng với biên độ xung nhọn do điện
cảm rò của biến áp và dây dẫn, giống như trương fhợp của transistor chuyển mạch ở mạch đơn
biến đổi thuận ở hình 6.34 và 6.35. Điện áp lớn nhất đặt lên cực C của transistor chuyển mạch
trong mạch đẩy kéo, khi tắt là:
U
c max
132, .U
vmax
(6.21)
Để giảm nhỏ các xung nhọn điện cảm rò, từ đó giảm tỏn hao chuyển mạch cho transistor,
ta có thể nối giữa cực C của các transistor với điểm "đất" một mạch phụ gồm tụ điện, điện trở,
điốt (RCD) - được gọi là "SNUBBER" như hình 6.37.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
140
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 6.37: Các điện cảm rò gây ra các xung nhọn
và mạch Snubber giảm xung nhọn
Mạch đẩy kéo thường được sử dụng trong bộ nguồn chuyển mạch có công suất dưới
1000W và điện áp một chiều vào thấp hơn 200Vdc.
5) Mạch chuyển mạch biến đổi thuận – kép
Mạch chuyển mạch biến đổi thuận – kép là mạch đối xứng có 2 nửa giống nhau, mỗi nửa
gồm 2 transistor mắc nối tiếp với đỉnh và đáy của cuộn sơ cấp của 1 biến áp, mỗi nửa hoạt động
với 1 bán chu kỳ của điện áp điều khiển được trình bày ở mạch hình 6.38.
Hình 6.38: Mạch biến đổi thuận – kép.
Snubber
Snubber
)
(
gồm C,D,R
Uv
Các điện cảm rò
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
141
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Cả 2 transistor T
1
, T
2
đều mở cùng một lúc khi xung điều khiển mức cao và tắt cùng 1 lúc
khi xung điều khiển mức thấp. Khi chúng mở, tất cả các đầu có chấm của các cuộn sơ cấp và
thứ cấp có điện áp dương và công suất được chuyển đến tải. Khi chúng tắt sức điện động tự cảm
xuất hiện làm phân cực ngược các cuộn dây. Điểm có chấm của W
11
đạt đến điện thế âm nhưng
được giữ điện thế đất bởi điốt ghim D
1
. Điểm không chấm của W
11
(điểm dưới) đạt điện thế
dương nhưng được giữ điện thế của Uv bởi điốt ghim D
2
, do đó cực E của T
1
không bao giờ cao
hơn Uv và cực C của T
2
không bao giờ cao hơn Uv. Xung điện cảm rò được ghim để điện áp đặt
lên 1 trong 2 transistor khi chúng tắt không bao giờ cao hơn điện áp vào lớn nhất.
Một ưu điểm đáng kể của mạch nữa là tất cả năng lượng được tích trữ trong điện cảm rò
không mất do tổn hao thành phần thuần trở hay transistor công suất mà được nạp trả lại về
nguồn Uv qua D
1
và D
2
khi 2 transistor tắt, vì các cuộn dây biến áp chỉ làm việc 1 lần trong 1
chu kỳ xung điều khiển nen các mạch chỉnh lưu thứ cấp phải có các điốt ghim (D
5
, D
6
) để đảm
bảo dòng liên tục qua tải khi 2 transistor tắt.
Trong cuộn sơ cấp W
11
có dòng một chiều qua, nhưng điện áp phân cực ngược trên W
11
lúc transistor tắt bằng điện áp phân cực thuận khi các transistor mở, do đó lõi biến áp luôn luôn
tái lập (reset) về vị trí ban đầu tốt nếu thời gian mở cực đại không lớn hơn 80% của nửa chu kỳ.
+
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
142
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 6.39: Mạch biến đổi thuận – kép đầy đủ
Mạch biến đổi thuận – kép đầy đủ gồm 2 vế đối xứng nhau như hình 6.39, thường hay
được dùng trong các bộ nguồn ổn áp chuyển mạch công suất lớn, cung cấp cho các hệ thống
chuyển mạch (tổng đài) dung lượng lớn.
Bộ nguồn làm việc với điện áp AC 1 pha (220Vac – 310Vac), sử dụng các chuyển mạch
công suất là các MOSFET công suất, cho điện áp và dòng điện ra một chiều danh định 50Vdc-
25A; 50Vdc-50A.
Mạch hình 6.39 đòi hỏi khối điều khiển cho ra 2 chuỗi xung điều khiển có độ rộng thay
đổi, ngược pha nhau để điều khiển 2 vế; đồng thời các xung điều khiển các MOSFET phải cách
ly với nhau (thường dùng 2 biến áp xung, mỗi biến áp có 2 cuộn thứ cách ly nhau). Mạch hình
6.39 có 2 mạch chỉnh lưu thứ cấp chung 1 bộ lọc LC, nên trị số các linh kiện lọc LC được giảm
nhỏ.
Bộ nguồn ổn áp chuyển mạch công suất lớn, có các phần tử chuyển mạch chính nối theo
kiểu biến đổi thuận – kép, có điện áp xoay chiều đầu vào 3 pha – 380V, thường có cấu hình
mạch biến đổi thuận – kép 2 vế mắc nối tiếp như hình 6.40. Kiểu nối mạch này thì điện áp trên
mỗi tụ lọc C
1
, C
2
chỉ bằng một nửa điện áp vào Uv, điện áp tích trên mỗi tụ lọc là nguồn điện
áp cấp cho một vế của mạch, và mỗi MOSFET chỉ chịu điện áp bằng nửa Uv khi nó tắt.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
143
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 6.40: Hai vế của mạch biến đổi thuận – kép
mắc nối tiếp khi đầu vào có điện áp cao.
Cấu hình mạch 6.40 thường cho ra điện áp, dòng điện một chiều danh định 50Vdc100A.
Để nhận được dòng ra lớn hơn nữa, người ta dùng nhiều mạch như hình 6.40 nối song
song các đầu vào xoay chiều và song song các đầu ra một chiều.
6) Mạch chuyển mạch cầu bán phần
Hình 6.41: Mạch chuyển mạch cầu bán phần
Hai transistor mở lệch nhau 180
o
. Khi một trong 2 transistor mở, transistor tắt chỉ chịu
một điện áp Uv lớn nhất mà không gấp đôi. Các điốt ghim D
1
, D
2
nối giữa các cực C, E các
transistor chuyển mạch để giữ cho điện áp trên transistor khi tắt không vượt quá Uv, và hồi tiếp
năng lượng tích trữ trên biến áp về nguồn vào khi transistor tắt mà không tổn hao trên transistor
hay điện trở của biến áp. Khi T
1
tắt, đầu dưới của sơ cấp biến áp có điện áp dương, dòng nạp
cho C
2
xuất phát từ đầu dưới cuộn sơ cấp qua C
2
, D
2
về đầu trên (đầu có chấm). Khi T
2
tắt, T
1
chưa thông, đầu có chấm của sơ cấp là dương, dòng nạp cho tụ C
1
từ đầu có chấm, qua D
1
, C
1
về đầu không chấm của sơ cấp biến áp.
Trong biến áp không có thành phần một chiều vì trong các cuộn dây có 2 dòng bằng nhau
và ngược chiều trong 1 chu kỳ, do đó tổn hao trong biến áp là rất nhỏ.
Mạch chuyển mạch cầu bán phần có thể cho công suất một chiều ra tới 1000W, sử dụng
các transistor công suất lưỡng cực hay transistor MOSFET.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
144
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
7) Mạch chuyển mạch kiểu cầu toàn phần
Hình 6.42: Mạch chuyển mạch cầu toàn phần.
Các transistor T
1
, T
2
mở tắt đồng pha, các transistor T
3
, T
4
mở tắt đồng pha nhưng lệch với
T
1
, T
2
góc 180
o
, với mạch cầu toàn phần, các transistor chỉ chịu 1 điện áp lớn nhất bằng điện áp
Uv lớn nhất. Các điốt ghim D
1
D
4
, ghim mức điện áp đặt lên các transistor khi tắt không vượt
quá Uv, và hồi tiếp năng lượng dự trữ trên biến áp về nguồn vào khi transistor tắt. Trạng thái
công tác của biến áp giống như mạch cầu bán phần. Với cùng điện áp Uv và các transistor hoạt
động với cùng 1 dòng đỉnh thì mạch cầu toàn phần có thể cung cấp công suất một chiều đầu ra
gấp 2 lần so với mạch cầu bán phần, nhưng số vòng dây sơ cấp biến áp phải gấp 2 lần so với
mạch cầu bán phần.
Cuộn sơ cấp biến áp làm việc 2 lần trong 1 chu kỳ xung điều khiển nên các mạch chỉnh
lưu bên thứ cấp là chỉnh lưu toàn sóng, dùng mạch chỉnh lưu với cuộn thứ cấp có điểm giữa có
thể tạo ra các nguồn điện áp ổn định đối xứng.
CÂU HỎI ÔN TẬP
+
2. Phân tích nguyên lý hoạt động của mạch hình 6.44 và tính điện áp ra U
r
.
1.
n áp ra
ệ
ộng của mạch hình 6-1 và tính đi
đ
Phân tích nguyên lý hoạt
U
r
.
Uv
Ur
T
3
T
2
ZD
2
ZD
1
R
1
R
2
T
1
+
Hình 6.43
UZ
2
= 8,3V
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
145
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
3. Cho mạch điện hình 5.45.
Tính U
ra
khi V
R1
ở các
điểm trên, giữa, dưới.
Tính U
ra
khi Z
D1
bị
ngắn mạch và hở mạch tương
ứng với
VR
1
ở 3 vị trí.
Hình 6.45
4. Cho mạch điện hình 6.46. +
T
Tính U
ra
khi V
R1
ở các điểm trên, giữa,
dưới.
Tính U
ra
khi Z
D1
bị ngắn mạch và hở mạch
tương ứng với 3 vị trí của
V
R1
.
Tính hiệu suất của mạch ứng với V
R
1 ở điểm trên.
5. Cho mạch điện hình 6.47.
Tính U
ra
khi con chạy của V
R1
ở
các điểm trên, giữa, dưới và hiệu suất của
v ra mạch ứng với các vị trí của V
R1
.
6. Cho mạch điện như hình 6.48.
Uv
Ur
T
3
T
2
ZD
1
R
1
R
2
T
1
+
+
Hình 6.44
R
3
ZD
2
UZ
2
=
,3V
11
Uv
= 28V
T
1
R
2
R
3
10
k
Rt
R
5
8
k
VR
1
0
k
5
T
2
ZD
1
UZD
1
= 10V
Ura
+
R
1
+
Uv
= 25V
R
1
ZD
1
UZD
1
= 3,3V
V
+
1
T
2
R
2
10
k
VR
1
0
5
k
R
3
10
k
Rt
Ura
Hình 6.46
LM238
1
,2
32V
U
= 35V
+
3
1
2
U
R
1
100
VR
1
0
2,5k
Hình 6.47
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
146
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Cho biết U
ZD1
= 12V, dòng I
ZD1min
= 1,5mA.
Tính giá trị R
1
thấp nhất và U
r
ngưỡng để mạch bảo vệ (mạch trong vòng tròn) bắt đầu
hoạt động.
Biết SCR dẫn khi U
GK
= 1,5V và I
GK
= 1mA.
- Muốn thay đổi nguồn +E thành nguồn –E (chân 4 của sơ đồ nối đến –E) thì phải
thay đổi
Hình 6.49
những gì để mạch làm việc bình thường? Vẽ lại mạch.
8. Cho mạch điện hình 6.50, biết:
E = +30V, U
ZD
= 6,6V; R
1
= 2k ; R
2
= 2,5k
V
R
= 2k ,
1
= 100.
Dòng ra của IC là 10mA.
Tính giá trị nhỏ nhất của Rt và giá trị lớn nhất của R
E
để mạch hoạt động bình thường?
(mạch hoạt động bình thường là I
rmax
1
I
B1
, mạch giới hạn dòng chưa làm việc).
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
147
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
9. Cho mạch điện hình 6.51, biết:
+ T IT
1
It
I
t
= 1,5A, I
1C
= 1A, = 100
1
Tính giá trị R
1
và I
T1
?
10. Cho mạch điện hình 6.52 là sơ đồ ổn áp Hình 6.51 mà U
r
điều
khiển được từng nấc nhờ tín hiệu số tác động
tới các lối vào X
0
, X
1
, X
2
. Biết LM317 có U
rmin
=
1,2V.
E = +35V, R
1
= R
2
= R
4
= R
0
= 3k Khi
transistor bão hòa thì coi như r
CE
= 0.
Tính U
r
trong các trường hợp:
+ X
0
= X
1
= X
2
= 0.
+ Một trong 3 lối vào bằng 1.
+ Cả 3 lối vào
bằng 1.
11. Phân tích nguyên lý hoạt động của mạch hình 6.53.
+ Hai trong 3 lối vào bằng 1.
Hình 6.52
+
R
3
R
4
R
1
R
2
R
E
Rt
VR
T
2
T
1
ZD
Ur
+
E
Hình 6.50
78
XX
Uv
R
1
1
2
3
Ur
IIC
IN OUT
ADJ
E
+35
V
X
2
X
1
X
0
T
2
T
1
T
0
1
3
2
R
3
500
R
2
3
k
R
1
3
k
R
0
3
k
Ur
R
4
3
k
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
148
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Hình 6.53
Cho biết Ur lớn hơn hay nhỏ hơn Uv?
Muốn điều chỉnh được điện áp ra thì làm thế nào?
Tính Ur, biết Uv = 10V và UB
1
có dạng như sau.
2 1,5
12. Phân tích nguyên lý hoạt động của mạch hình 6.54.
Hình 6.54
UB
1
có dạng:
1
- Đánh dấu cực của Ur và tính giá trị Ur?
13. Cho mạch điện như hình 6.55.
- Muốn có Ur > Uv thì làm thế nào?
Điều
khiển
ĐRX
Uv
R
1
ZD
T
1
D
1
C
1
R
2
R
3
Ur
L
1
Điều
khiển
ĐRX
Uv
15
V
Ur
D
1
T
1
L
1
C
1
3
Điều
khiển
ĐRX
Uv
Ur
D
1
T
1
L
1
C
1
Tr
1
Hình 6.55
lOMoARcPSD|37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
149
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
- Muốn đảo cực Ur thì nối mạch như thế nào?
14. Cho mạch bảo vệ cắt điện áp cao của bộ nguồn chuyển mạch hình 6.56, hãy phân
tích mạch.
Hình 6.56
15. Sơ đồ hình 6.57, trong đó có một bộ nguồn chuyển mạch kiểu dao động tự kích tạo ra
mức nguồn một chiều phụ U
01
, U
02
để cung cấp cho nguồn chuyển mạch tạo ra nguồn một chiều
chính làm việc với điện áp 300VDC. Hãy phân tích nguyên lý hoạt động của sơ đồ?
Hình 6.57
lOMoARcPSD|37054152
Chương 7. Các ứng dụng của các bộ biến đổi công suất
150
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
lOMoARcPSD|37054152
Chương 7. Các ứng dụng của các bộ biến đổi công suất
151
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
7.2. BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM
Đã giới thiệu trong phần bộ nghịch lưu. Việc tìm hiểu về bộ khởi động mềm ứng dụng
cho từng thiết bị như động cơ không đồng bộ, rotor lồng sóc, động cơ xoay chiều ba pha sẽ
giao cho sinh viên tìm hiểu dưới dạng bài tập lớn.
7.4. BỘ BIẾN TẦN CÔNG NGHIỆP
Biến tần công nghiệp được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp, các dây
chuyền sản xuất tự động hóa. Có rất nhiều hãng sản xuất biến tần công nghiệp như Siemens,
…
Về mặt tần số hoạt động biến tần công nghiệp có tần số đầu vào phù hợp với tần số lưới
điện, tần số đầu ra trong khoảng 0 đến 650Hz.
Phân loại theo chức năng ta có:
- Biến tần đầu vào một pha ra một pha
- Biến tần đầu vào một pha ra ba pha
- Biến tần đầu vào ba pha ra một pha
- Biến tần đầu vào ba pha ra ba pha Cấu tạo cơ bản của các loại biến tần này như
sau: a) Biến tần đầu vào một pha ra một pha
b) Biến tần đầu vào một pha ra ba pha
c) Biến tần đầu vào ba pha ra một pha
lOMoARcPSD|37054152
Chương 7. Các ứng dụng của các bộ biến đổi công suất
152
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
d) Biến tần đầu vào ba pha ra ba pha
7.5. NGUỒN LIÊN TỤC (UPS)
7.5.1. Giới thiệu chung về UPS
a) Cung cấp năng lượng điện cho những tải nhạy cảm
Sự cố nguồn năng lượng điện
Sự cố trong các nguồn năng lượng điện có thể xẩy ra trong quá trình lắp đặt trang thiết bị
hoặc ở đầu vào hệ thống (quá tải, nhiễu, mất cân bằng pha, sấm sét, …). Những sự cố này có
thể gây ra những hậu quả khác nhau.
Về mặt lý thuyết: Hệ thống phân phối năng lượng điện tạo ra một điện áp hình sin vơi
biên độ và tần số thích hợp để cung cấp cho thiết bị điện (400V-50Hz chẳng hạn).
Trong thực tê, những sóng hình sin điện áp và dòng điện cùng tần số bị ảnh hưởng trong
phạm vi khác nhau bởi những sự cố có thể xuất hiện trong hệ thống.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 7. Các ứng dụng của các bộ biến đổi công suất
153
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
Đối với hệ thống cung cấp điện: Có thể bị sự cố hoặc gián đoạn cung cấp điện vì:
Hiện tượng nhiễm điện ở bầu khí quyển (thường không tránh khỏi). Điều này có thể
ảnh hưởng đến đường dây ngoài trời hoặc cáp chôn, chẳng hạn: o Sấm sét làm
điện áp tăng đột ngột trong hệ thống cung cấp điện.
o Sương giá có thể làm cho đường dây bị đứt
Những hiện tượng ngẫu nhiên, chẳng hạn:
o Cành cây rơi gây gắn mạch hoặc đứt dây o Đứt cáp do đào đất
o Sự hư hỏng trong hệ thống cung cấp
Những thiết bị dùng điện có thể ảnh hưởng đến hệ thống cung cấp
Lăp đặt công nghiệp, chẳng hạn:
o Động cơ gây ra điện áp rơi và nhiễm RF trong quá trình khởi động.
o Những thiết bị gây ô nhiễm: lò luyện kim, máy hàn, … gây ra điện áp rơi và
nhiễm RF
Những hệ thống điện tử công suất cao.
Thang máy, đèn huỳnh quang
Những sự cố ảnh hưởng đến việc cung cấp năng lượng điện cho thiết bị có thể phân thành
các loại sau: Lệch điện áp, Ngừng hoạt động, Tăng đột ngột điện áp, Thay đổi tần số, Xuất hiện
sóng hài, Nhiễu tần số cao.
Sự cố có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng, đặc biệt là làm gián đoạn việc cung cấp
điện, nhất là hệ thống dữ liệu của máy tính.
b) Giải pháp dùng UPS
Điều cần chú ý trước hết của những sự cố và hậu quả của nó về phương diện:
An toàn cho con người
An toàn cho thiết bị, nhà xưởng
Mục tiêu vận hành kinh tế
Từ đó phải tìm cách loại chúng ra. Có nhiều giải pháp kỹ thuật khác nhau cho vấn đề này,
những giải pháp này được so sánh trên cơ sở của hai tiêu chuẩn sau để đánh giá:
Liên tục cung cấp điện
Chất lượng cung cấp điện
lOMoARcPSD|37054152
Chương 7. Các ứng dụng của các bộ biến đổi công suất
154
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
c) Những chức năng của UPS
Hoạt động như một giao diện giữa hệ thống cung cấp điện và những tải nhạy cảm. UPS
cung cấp cho tải một năng lượng điện liên tục, chất lượng cao, không phụ thuộc mọi tình trạng
của hệ thống cung cấp.
UPS tạo ra một điện áp cung cấp tin cậy:
Không bị ảnh hưởng của những sự cố của hệ thống cung cấp, đặc biệt khi hệ
thống cung cấp ngừng hoạt động.
Phạm vi sai số cho phép tuỳ theo yêu cầu của những thiết bị điện từ nhạy cảm
(chẳng hạn: GALAXY-sai số cho phép của biên độ 0,5%, tần số 1%)
UPS có thể cung cấp điện áp tin cậy, độc lập và liên tục thông qua các khâu trung gian:
Acquy và chuyển mạch tĩnh.
7.5.2. Ứng dụng của UPS trong thực tế
Hiện nay nhu cầu ứng dụng UPS trong các lĩnh vực tin học, viễn thông, ngân hàng là rất
lớn. Số lượng UPS được sử dụng gần bằng 1/3 số lượng máy tính đang được sử dụng. Có thể
lấy một vài ví dụ về các thiết bị sử dụng UPS, đó là những máy tính, việc truyền dữ liệu và
toàn bộ thiết bị ở một trạng thái nào đó là rất quan trọng và không cho phép được mất điện.
UPS được sử dụng trong ngành hàng không để đảm bảo sự thắp sáng liên tục của đường băng
sân bay… Nói tóm lại UPS là một nguồn điện dự phòng nó có mặt ở mọi chỗ mọi nơi, những
nơi đòi hỏi cao về yêu cầu cấp điện liên tục.
lOMoARcPSD|37054152
Chương 7. Các ứng dụng của các bộ biến đổi công suất
155
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Võ Minh Chính, Điện tử công suất, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2007.
[2]. Nguyễn Xuân Hòe, Bài giảng Nguồn điện, Học viện CNBCVT, 2000. [3].
Nguyễn Bính, Điện tử công suất, 2002.
[4]. Danial W. Hart, Introduction to power electronics, Prentice Hall, 1997
| 1/163
| | Tải xuống

Tài liệu khác của Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

Preview text:

lOMoARcPSD| 37054152
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ---------- ----------
ThS. Nguyễn Trung Hiếu
ThS. Nguyễn Đức Việt BÀI GIẢNG
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
( Dành cho sinh viên chuyên ngành Điện-Điện tử ) lOMoARcPSD| 37054152 LỜI NÓI ĐẦU
Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng các linh kiện bán
dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch vào quá trình biến đổi điện năng. Hiểu về điện
tử công suất sẽ hỗ trợ cho chúng ta khả năng phân tích, thiết kế các mạch điện-điện tử với độ
chính xác cao, hoạt động ổn định.
Cuốn bài giảng Điện tử công suất này được biên soạn phục vụ cho chương trình đào tạo
hệ đại học chuyên ngành Điện-Điện tử của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.
Tài liệu này giúp cho sinh viên các kiến thức cơ bản về điện tử công suất, các linh kiện
điện tử, các mạch biến đổi điện-điện tử từ đó làm tiền đề cho sinh viên hiểu, biết phân tích và
thiết kế các mạch điện tử công suất.
Nội dung bài giảng gồm 7 chương:
Chương 1: Các khái niệm cơ bản
Chương 2: Các linh kiện bán dẫn
Chương 3: Chỉnh lưu và lọc điện
Chương 4: Bộ biến đổi điện áp một chiều
Chương 5: Nghịch lưu và biến tần Chương 6: Ổn áp nguồn
Chương 7: Các ứng dụng của các bộ biến đổi công suất
Trong đó ThS. Nguyễn Trung Hiếu biên soạn các chương 1, 2, 3, 4, 6 và ThS. Nguyễn
Đức Việt biên soạn các chương 5, 7.
Do hạn chế về mặt thời gian cũng như kiến thức nên không thể tránh khỏi những thiếu
sót trong lần biên soạn đầu tiên này, chúng tôi xin chân thành cảm ơn và mong đợi ý kiến đóng
góp của bạn đọc gửi về theo địa chỉ: Bộ môn Kỹ thuật điện tử, Khoa Kỹ thuật điện tử 1, Học
viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................................i
LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................................ii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.........................................................................................................vi
CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN................................................................................1
1.1. TRỊ TRUNG BÌNH CỦA DÒNG ĐIỆN, ĐIỆN ÁP, CÔNG SUẤT...............................1
1.2. TRỊ HIỆU DỤNG CỦA DÒNG ĐIỆN, ĐIỆN ÁP..........................................................2
1.3. HỆ SỐ CÔNG SUẤT......................................................................................................4
1.3.1. Một số khái niệm......................................................................................................4
1.3.2. Công suất tín hiệu.....................................................................................................4
1.3.2. Cách nâng cao hệ số công suất.................................................................................4 lOMoARcPSD| 37054152
1.4. ĐỘ MÉO DẠNG TÍN HIỆU...........................................................................................5
1.5. HIỆN TƯỢNG NHIỄU VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC...............................................7
BÀI TẬP.................................................................................................................................7
CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN..............................................................................8
2.1. ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT.......................8
2.2. DIODE.............................................................................................................................8
2.3. TRANSISTOR.................................................................................................................9
2.3.1. BJT công suất............................................................................................................9
2.3.2. MOSFET công suất.................................................................................................13
2.4. THYRISTOR.................................................................................................................15
2.5. TRIAC............................................................................................................................21
2.6. GTO, IGCT, MCT, IGBT...............................................................................................22
2.6.1. GTO (Gate Turn Off Thyristor)..............................................................................22
2.6.2. IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor).....................................................24
2.6.3. MCT (Mos Controlled Thyristor)...........................................................................26
2.6.4. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)..............................................................27
2.6.5. Một số linh kiện khác..............................................................................................29
2.7. SO SÁNH KHẢ NĂNG HỌAT ĐỘNG CỦA CÁC LINH KIỆN.................................30
2.8. VẤN ĐỀ LÀM MÁT VAN BÁN DẪN.........................................................................30
CHƯƠNG 3: CHỈNH LƯU VÀ LỌC ĐIỆN............................................................................31
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG...................................................................................................31
3.1.1. Khái niệm................................................................................................................31
3.1.2. Cách mắc các van bán dẫn......................................................................................32
3.2. CÁC DẠNG MẠCH CHỈNH LƯU CƠ BẢN...............................................................34
3.2.1. Chỉnh lưu một pha không điều khiển......................................................................34
3.2.2. Chỉnh lưu ba pha không điều khiển........................................................................42
3.2.3. Chỉnh lưu một pha có điều khiển............................................................................46
3.2.4. Chỉnh lưu ba pha có điều khiển..............................................................................50
3.3. CHỈNH LƯU BỘI ÁP...................................................................................................57
3.4.1. Chỉnh lưu bội áp nửa sóng......................................................................................57
3.4.2. Sơ đồ chỉnh lưu bội áp một pha toàn sóng..............................................................58
3.4. GHÉP NỐI TIẾP VÀ SONG SONG CÁC BỘ CHỈNH LƯU.......................................59
3.4.1. Bộ chỉnh lưu cầu 2 pha nối tiếp..............................................................................59
3.4.2. Bộ chỉnh lưu cầu 2 pha song song..........................................................................60
3.5. BỘ LỌC.........................................................................................................................61
3.5.1. Bộ lọc san bằng.......................................................................................................61
3.5.2. Các loại bộ lọc san bằng.........................................................................................62
CÂU HỎI ÔN TẬP...............................................................................................................64
CHƯƠNG 4: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU.............................................................67
4.1. GIỚI THIỆU CHUNG...................................................................................................67
4.2. BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LOẠI FORWARD....................................................67
4.2.1. Bộ biến đổi làm việc một phần tư mặt phẳng tải....................................................68
4.2.2. Bộ biến đổi làm việc hai phần tư mặt phẳng tải I và II...........................................72
4.2.3. Bộ biến đổi làm việc bốn phần tư mặt phẳng tải....................................................74
4.2.4. Bộ biến đổi làm việc tại hai phần tư I và IV...........................................................76 lOMoARcPSD| 37054152
4.2.5. Sóng hài áp dòng trên tải RLE................................................................................77
4.2.6. Ghép song song các bộ biến đổi.............................................................................78
4.3. BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LOẠI FLYBACK.....................................................79
4.4. MẠCH TẮT SCR..........................................................................................................80
4.4.1. Ví dụ mạch tắt SCR................................................................................................81
4.4.2. Sơ đồ chuyển mạch cứng các SCR.........................................................................81
4.4.3. Sơ đồ chuyển mạch mềm các SCR.........................................................................84
4.5. ỨNG DỤNG..................................................................................................................87
4.5.1. Nguyên lý điều khiển bộ biến đổi...........................................................................87
4.5.2. Điều khiển động cơ một chiều................................................................................88
4.5.3. Các bộ nguồn một chiều - cấp điện hay ổn áp xung...............................................89
4.5.4. Nghịch lưu..............................................................................................................90
TÓM TẮT.............................................................................................................................90
CHƯƠNG 5: NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN.........................................................................91
5.1. GIỚI THIỆU CHUNG...................................................................................................91
5.1. PHÂN LOẠI NGHỊCH LƯU........................................................................................91
5.1.1. Nghịch lưu song song và nối tiếp...........................................................................91
5.1.2. Nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp......................................................................93
5.3. NGHỊCH LƯU NGUỒN DÒNG...................................................................................93
5.3.1. Sơ đồ một pha.........................................................................................................93
5.3.2. Sơ đồ 3 pha.............................................................................................................97
5.4. NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP.........................................................................................98
5.4.1. Sơ đồ một pha.........................................................................................................98
5.4.2. Sơ đồ ba pha............................................................................................................99
5.4.3. Nghịch lưu đa bậc.................................................................................................101
5.4.4. Tính toán gần đúng nghịch lưu nguồn áp.............................................................104
5.5. ĐIỀU KHIỂN ÁP RA VÀ HẠN CHẾ SÓNG HÀI.....................................................104
5.5.1. Phân tích sóng hài điện áp....................................................................................104
5.5.2. Điều khiển áp ra....................................................................................................105
5.5.3. Hạn chế sóng hài đầu ra........................................................................................108
5.6. MẠCH ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU........................................................................108
5.6.1. Mạch tạo logic ba pha...........................................................................................108
5.6.2. Mạch tạo áp chuẩn hình sin dùng ROM và DAC (biến đổi số tương tự).............109
5.6.3. Mạch điều khiển nghịch lưu dung chương trình ROM.........................................110
6.7. BIẾN TẦN...................................................................................................................111
5.8. ỨNG DỤNG................................................................................................................113
5.8.1. Các bộ nguồn tần số cao.......................................................................................113
5.8.2. Bộ nguồn xung sử dụng nghịch lưu......................................................................114
5.8.3. Bộ nguồn xoay chiều không gián đoạn UPS (bộ lưu điện)...................................114
CÂU HỎI ÔN TẬP.............................................................................................................115
CHƯƠNG 6: ỔN ÁP NGUỒN...............................................................................................116
6.1. GIỚI THIỆU CHUNG.................................................................................................116
6.2. CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG................................................................................116
6.3. ỔN ÁP NGUỒN SỬ DỤNG PHẦN TỬ HIỆU CHỈNH.............................................117
6.3.1. Sơ đồ khối chung..................................................................................................117
6.3..2. Bộ ổn định điện áp với hiệu chỉnh nối tiếp, không khuếch đại so sánh...............118 lOMoARcPSD| 37054152
6.3.3. Bộ ổn định điện áp với hiệu chỉnh nối tiếp có khuếch đại so sánh.......................119
6.3.4. Bộ ổn áp với hiệu chỉnh nối tiếp, dùng IC KĐTT làm bộ khuếch đại so sánh.....120
6.3.5. Các mạch bảo vệ hạn chế dòng, áp.......................................................................122
6.4. BỘ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP DÙNG VI MẠCH TÍCH HỢP 3
CHÂN.............................124 6.4.1. Giới thiệu chung về vi mạch tích hợp 3
chân.......................................................124
6.4.2. Các mạch ổn định điện áp dùng vi mạch tích hợp 3
chân....................................127 6.4.3. Các mạch nâng cao điện áp ra và dòng
ra.............................................................128 6.5. NGUỒN ỔN ÁP ĐỐI
XỨNG......................................................................................129 6.6. MẠCH ỔN
DÒNG......................................................................................................130 6.6.1. Mạch ổn dòng dùng
transistor...............................................................................130 6.6.2. Mạch ổn dòng dùng IC ổn định 3
chân.................................................................131 6.7. NGUỒN ỔN ÁP MỘT CHIỀU KIỂU CHUYỂN
MẠCH..........................................132 6.7.1. Khái niệm về nguồn ổn áp kiểu chuyển
mạch......................................................132
6.7.2. Sơ đồ khối tổng quát của bộ nguồn ổn áp kiểu chuyển mạch theo nguyên lý “điều
chế độ rộng xung”...........................................................................................................135 6.7.3. Một
số mạch trong bộ nguồn ổn áp kiểu chuyển
mạch........................................136
CÂU HỎI ÔN TẬP.............................................................................................................149
CHƯƠNG 7: CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT.......................155
7.1. TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU (HVDC).............................................................155
7.1.1. Giới thiệu..............................................................................................................155
7.2.2. Nguyên lý của hệ thống HVDC............................................................................155
7.1.3. Cấu tạo của hệ thống HVDC................................................................................155
7.1.4. Ưu nhược điểm và ứng dụng................................................................................156
7.2. BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM..............................................................................................158
7.4. BỘ BIẾN TẦN CÔNG NGHIỆP.................................................................................158 7.5. NGUỒN LIÊN TỤC
(UPS).........................................................................................1597.5.1. Giới thiệu
chung về UPS......................................................................................159
7.5.2. Ứng dụng của UPS trong thực tế..........................................................................161
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................................162 lOMoARcPSD| 37054152
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AC Alternating Current BBĐ Bộ biến đổi DAC Digital Analog Converter DC Direct Current ETO Emitter Turn Off Thyristor GTO Gate Turn Off Thyristor HVDC High Voltage Direct Current IGCT
Integrated Gate Commutated Thyristor KĐTT Khuếch đại thuật toán MCT Mos Controlled Thyristor MTO Mos Turn Off Thyristor NL Nghịch lưu ROM Read Only Memory SCR Controlled Rectifier TRIAC Triode Alternative Current UPS Uninterrupted Power Supply lOMoARcPSD| 37054152
Chương 1. Các khái niệm cơ bản 2 2 1 U 1 cos2 x U 1 sin2 x 2 U ( U .sin). m x dx . m dx x 2 rms m 2 2 4 0 0 0 U m U 2 220[V] rms 2
1.3. HỆ SỐ CÔNG SUẤT
1.3.1. Một số khái niệm
- Công suất tác dụng P: biểu thị năng lượng sử dụng trong một đơn vị thời gian. 1
P T T u t i t dt( ). ( ). (1.4)
- Công suất biểu kiến S: tính bằng tích số giá trị hiệu dụng dòng và áp, biểu thị năng
lượng sử dụng trong một đơn vị thời gian nếu xem tải là thuần trở. S UR R.I (1.5)
- Hệ số công suất hay PF (Power Factor) đối với một tải được định nghĩa bằng tỉ số giữa công
suất tiêu thụ P và công suất biểu kiến S mà nguồn cấp cho tải đó. P PF (1.6) S
Trong trường hợp tín hiệu xoay chiều hình sin, ta có: PF cos với là góc lệch giữa dòng
điện và điện áp trong mạch.
1.3.2. Công suất tín hiệu
Có nhiều công thức tính công suất trong mạch điện tử công suất, phụ thuộc vào mục đích sử dụng.
+ Công suất của tín hiệu một chiều (P0 hay PDC)
P0 U I0 0. ; U0 và I0 là điện áp trung bình và dòng điện trung bình.
+ Công suất của tín hiệu xoay chiều (hình sin):
P1 U I1 1. .cos 1; U
là góc lệch pha giữa dòng điện
1, I1 là biên độ điện áp và dòng điện; 1 và điện áp.
+ Công suất toàn phần ở đầu ra, gồm thành phần một chiều và sóng hài bậc cao. 1 lOMoARcPSD| 37054152
Chương 1. Các khái niệm cơ bản P
T T u t i t dt( ). ( ). P0 n
1Un.In.cos n
Ở các bộ biến đổi đầu ra áp một chiều, thì V0, I0, PDC là các thành phần mong muốn, sóng
hài bậc cao (các thành phần hình sin) là không mong muốn, chỉ tạo ra các tác dụng phụ.
1.3.3. Cách nâng cao hệ số công suất
Các bộ biến đổi công suất là những thiết bị có tính phi tuyến. Giả sử nguồn điện áp cung
cấp có dạng sin và dòng điện qua nó có dạng tuần hoàn không sin. Dựa vào phân tích Fourier
áp dụng cho dòng điện i, ta có thể tách dòng điện thành các thành phần sóng hài cơ bản I(1) cùng
tần số với nguồn áp và các sóng hài bậc cao I
,... Dễ dàng thấy rằng, sóng điện áp nguồn (2), I(3)
và sóng hài cơ bản của dòng điện tạo nên công suất tiêu thụ của tải: P = P
với là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện sóng hài cơ bản. 1 = m.U.I(1).cos 1 1
Các sóng hài còn lại (bậc cao) tạo nên công suất ảo. Ta có:
S 2 ( . . )mU I 2 m U2. 2.(I(1)2 I(2)2 I(3)2 ...)
S 2 m U2 . 2 .I(1)2 m U2 . 2 . I(2j) m U2.2.I(1)2 .cos2 1 m U2.2.I(1)2 .sin 2 1 m U2.2. I(2j) j 2 j 2
S 2 P2 Q12 D2 Với P mU I. .
: Công suất tiêu thụ của tải. (1).cos 1 Q
: công suất phản kháng (công suất ảo do sóng hài cơ bản của dòng 1 mU I. . (1).sin 1 điện tạo nên). D m U2.
2. I 2 : công suất biến dạng (công suất ảo do các sóng hài bậc cao của ( j) j 2 dòng điện tạo nên). P P
Từ đó ta suy ra hệ số công suất: PF
S P2 Q12 D2
Muốn tăng hệ số công suất, ta có thể:
Giảm Q1 (công suất ảo của sóng hài cơ bản) bằng cách thực hiện bù công suất phản
kháng. Các biện pháp thực hiện như bù bằng tụ điện, bù bằng máy điện đồng bộ kích
từ dư hoặc dùng thiết bị hiện đại bù bán dẫn (SVC - Static Var Compensator); lOMoARcPSD| 37054152
Chương 1. Các khái niệm cơ bản
Giảm D (công suất ảo của các sóng hài bậc cao): Tuỳ theo phạm vi hoạt động của dãy
tần số của sóng hài bậc cao được bù, ta phân biệt các biện pháp sau đây:
• Lọc sóng hài: áp dụng cho các sóng hài bậc cao lớn hơn sóng hài cơ bản đến giá
trị khoảng kHz. Có thể sử dụng các mạch lọc cộng hưởng LC. Ví dụ dùng mạch
lọc LC cộng hưởng với bậc 5, 7, 11..mắc song song với nguồn cần lọc.
• Khử nhiễu: đề cập trong mục 1.5.
Ngoài ra, có thể biểu diễn hệ số công suất theo hệ thức sau: I(1) PF cos 1 I
1.4. ĐỘ MÉO DẠNG TÍN HIỆU a) Sóng hài bậc cao u t( ) U0
An sinn t Bn cosn t U0 un n 1 n 1 2 2 Với un Un sin
nt n , An
T T u t( ).sin nt dt., Bn T T u t( ).cos nt dt. , 2
Un An2 Bn2 , n tg 1 BAnn
, UR U02 1 n 1Un2 trong đó:
U0 : trị số trung bình ( thành phần một chiều ) của u(t)
: tần số góc của u(t), chu kỳ T 2 / un:
sóng hài bậc n - có tần số n .
An , Bn : các thành phần sin, cos của sóng hài bậc n
Un , n: biên độ và lệch pha của sóng hài bậc n
UR : Trị hiệu dụng của u(t).
b) Hệ số hình dạng ( form factor ): tỉ số giữa giá trị hữu dụng và giá trị hiệu dụng.
+ Đối với bộ biến đổi có đầu ra một chiều: U0 KFDC lOMoARcPSD| 37054152
Chương 1. Các khái niệm cơ bản UR
Với U0 : điện áp trung bình đầu ra; UR : điện áp hiệu dụng đầu ra.
+ Đối với bộ biến đổi có đầu ra xoay chiều: U1 KFAC ; UR
Với U1: điện áp hiệu dụng sóng hài bậc 1 (cơ bản) đầu ra; UR : điện áp hiệu dụng đầu ra.
c) Độ biến dạng (THD – Total harmonic distortion)
+ Đầu ra điện áp một chiều: THD UR2 U02 U0 U UR2 12
+ Đầu ra điện áp xoay chiều: THD U1
1.5. HIỆN TƯỢNG NHIỄU VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC
Nhiễu là nguyên nhân làm cho mạch chạy không ổn định, cung như làm giảm hiệu năng
của các mạch điện tử nói chung và mạch điện tử công suất nói riêng. Hiện tượng nhiễu có một số nguyên nhân sau:
- Do môi trường bên ngoài tác động. Ảnh hưởng từ các nguồn nhiễu tự nhiên hoặc do
các hệ thống điện tử đặt gần đó.
- Do bản thân mạch gây ra. Các sóng tần số cao này phát sinh từ các mạch điều khiển
phát sóng với tần số cao hoặc do quá trình đóng ngắt các linh kiện công suất, các sóng
hoạt động trong các mạch điện có khả năng phát sóng điện từ lan truyền vào môi
trường và tạo nên tác dụng gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh, thậm chí gây nhiễu
cho chính bản thân mạch điều khiển các thiết bị công suất.
Biện pháp khắc phục: dùng tụ, dùng mạch lọc, dùng bọc kim dây dẫn hoặc dùng lưới
chống nhiễu cho thiết bị. BÀI TẬP 1.
Tính trị trung bình điện áp chỉnh lưu của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha không điều
khiển.Hàm điện áp chỉnh lưu có dạng u = Um.|sin( .t)|; với Um= 100 2 [V]; = 314 [rad/s]. 2.
Tính trị hiệu dụng của điện áp u 200 2.sin(100 t) [V] . 3.
Xác định trị trung bình và hiệu dụng của các điện áp đối xứng dạng hình tam
giác câncó biên độ Um = 15 [V], chu kỳ T = 0,02 s. lOMoARcPSD| 37054152
Chương 1. Các khái niệm cơ bản 4.
Xác định trị trung bình và hiệu dụng của các điện áp đối xứng dạng hình vuông
cóbiên độ Um = 15 [V], chu kỳ T = 0,02 s. 5.
Cho một tín hiệu có giá trị điện áp u 200 2.sin(100 t
) [V] và cường độ dòng 3
điện i 2 2.cos(100 t
) [V]. Tính công suất tín hiệu? 3 lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn Hình 2.3:
Diode D1 bảo vệ mạch cổng của transistor trong thời gian kích ngắt
Mạch cách ly tín hiệu điều khiển và mạch kích
Các mạch phát ra tín hiệu để điều khiển mạch công suất dùng bán dẫn thường yêu cầu
cách ly về điện. Điều này có thể thực hiện bằng optron hoặc bằng biến áp xung.
Biến áp xung: gồm một cuộn sơ cấp và có thể nhiều cuộn thứ cấp. Với nhiều cuộn dây
phía thứ cấp, ta có thể kích đóng nhiều transistor mắc nối tiếp hoặc song song. Sơ đồ nguyên
lý mạch cách ly tín hiệu điều khiển dùng biến áp xung được vẽ trên hình 2.4.
Biến áp xung cần có cảm kháng tản nhỏ và đáp ứng nhanh. Trong trường hợp xung điều
khiển có cạnh tác động kéo dài hoặc tần số xung điều khiển thấp, biến áp xung sớm đạt trạng
thái bão hòa và ngõ ra của nó không thỏa mãn yêu cầu điều khiển. Hình 2.4:
Optron: gồm nguồn phát tia hồng ngoại dùng diode (I ) và mạch thu dùng LED
phototransistor. Tín hiệu xung điều khiển được đưa vào LED và ngõ ra được dẫn từ phototransistor (hình 2.5). Hình 2.5:
Thời gian ton của phototransistor khoảng 2-5µs, toff = 300ns.
Mạch dùng optron đòi hỏi phải tạo nguồn riêng cho nó. Do đó, mạch phức tạp và tốn kém hơn. 4
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn Mạch bảo vệ BJT
Dạng mạch bảo vệ BJT tiêu biểu được vẽ trên hình hình 2.6.
Tác dụng của mạch nhằm bảo vệ transistor trước các hiện tượng tăng quá nhanh của du di điện áp
và dòng điện qua transistor. dt dt du
Mạch RC có tác dụng hạn chế độ dốc
giữa hai cực CE. Cuộn kháng LS thực hiện dt di
giảm sự tăng nhanh dòng qua BJT. dt Hình 2.6:
2.3.2. MOSFET công suất
Loại transistor có khả năng đóng ngắt nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp được gọi là
Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) với cổng điều khiển bằng điện trường (điện áp).
(Tham khảo thêm tài liệu Cấu kiện điện tử) Hình 2.7:
MOSFET ở trạng thái ngắt khi điện áp cổng thấp hơn giá trị UGS.
Để MOSFET ở trạng thái đóng, đòi hỏi điện áp cổng tác dụng liên tục. Dòng điện đi vào
mạch cổng điều khiển không đáng kể trừ khi mạch ở trạng thái quá độ, đóng hoặc ngắt dòng. 5
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
Lúc đó xuất hiện dòng phóng và nạp điện cho tụ của mạch cổng. Thời gian đóng ngắt rất nhỏ,
khoảng vài ns đến hàng trăm ns phụ thuộc vào linh kiện. Điện trở trong của MOSFET khi dẫn
điện Ron thay đổi phụ thuộc vào khả năng chịu áp của linh kiện. Do đó, các linh kiện MOSFET
thường có định mức áp thấp tương ứng với trở kháng trong nhỏ và tổn hao ít.
Tuy nhiên, do tốc độ đóng ngắt nhanh, tổn hao phát sinh thấp. Do đó, với định mức áp từ
300V- 400V MOSFET tỏ ra ưu điểm so với BJT ở tần số vài chục kHz.
MOSFET có thể sử dụng đến mức điện áp 1000V, dòng điện vài chục amper và với mức
điện áp vài trăm volt với dòng cho phép đến khoảng 100A. Điện áp điều khiển tối đa 20V
(2V,5V,10V.. tùy theo loại), mặc dù thông thường có thể dùng áp đến 5V để điều khiển được nó.
Các linh kiện MOSFET có thể đấu song song để mở rộng công suất. Mạch kích MOSFET
Để giảm thời gian kích đóng ton của MOSFET ta có thể sử dụng dạng mạch (hình 2.8a)
Khi tác dụng điện áp u , dòng điện tích điện ban đầu cho tụ mạch cổng G: G
Sau đó điện áp xác lập trên cổng là
RS là điện trở trong của mạch kích. Hình 2.8:
Sơ đồ mạch kích được cải thiện trên hình 2.8b sử dụng cấu trúc totem-pole gồm 2
transistor NPN và PNP. Khi điện áp kích U1 ở mức cao, Q1 dẫn và Q2 khóa làm MOSFET
dẫn. Khi tin hiệu U1 thấp, Q1 ngắt, Q2 dẫn làm các điện tích trên mạch cổng được phóng
thích và MOSFET trở nên ngắt điện. Tín hiệu U1 có thể lấy từ mạch collector mở
(opencollector TTL) và totem-pole đóng vai trò mạch đệm (buffer).
Tương tự như BJT, mạch kích cổng G của MOSFET có thể được cách ly với mạch tạo
tín hiệu điều khiển thông qua biến áp xung, optron hoặc cáp quang (H1.14a,b). 6
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
Mạch bảo vệ MOSFET
Cấu tạo khác biệt của MOSFET so với BJT làm cho linh kiện hoạt động tốt mà
không cần bảo vệ nhiều như BJT. Tuy nhiên, ta có thể sử dụng mạch RC nhỏ mắc song
song với ngõ ra của linh kiện để hạn chế tác dụng các gai điện áp và các xung nhiễu
dao động xuất hiện khi linh kiện đóng. Hình 2.9: 2.4. THYRISTOR Hình 2.10:
Mô tả và chức năng
Thyristor gồm 3 lớp PN và mắc vào mạch ngoài gồm 3 cổng: điện cực anode A, cathode
C và cổng điều khiển G. Về mặt lý thuyết tồn tại cấu trúc thyristor: PNPN và NPNP, trong thực
tế người ta chỉ phát triển và sử dụng loại PNPN. Sơ đồ thay thế thyristor bằng mạch transistor
được vẽ ở hình 2.10. Giả sử anode của thyristor chịu tác dụng của điện áp dương so với cathode 7
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
(uAK > 0). Khi đưa vào mạch G, K của cathode (tương ứng với mạch baseemitor của tranristor
NPN) xung dòng I , transistor NPN sẽ đóng. Dòng điện dẫn tiếp tục qua mạch emitor G -base của
transistor PNP và đóng nó. Các transistor sẽ tiếp tục đóng ngay cả khi dòng iG bị ngắt. Dòng
qua collector của một transistor cũng chính là dòng đi qua base của transistor thứ hai và ngược
lại. Các transistor vì vậy cùng nhau duy trì ở trạng thái đóng.
Các tính chất và trạng thái cơ bản
Nếu transistor bị ngắt, thì anode có thể chịu được điện áp dương so với cathode - trạng
thái khóa; hoặc điện áp âm so với cathode - trạng thái nghịch.
Hiện tượng đóng SCR tức chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn điện có thể thực
hiện nếu thỏa mãn cả hai điều kiện sau:
1/- Thyristor ở trạng thái khóa.
2/-có xung dòng điện kích iG > 0 đủ lớn.
Hiện tượng ngắt SCR: quá trình chuyển từ trạng thái dẫn điện sang không dẫn điện (tức
trạng thái nghịch hoặc trạng thái khóa). Quá trình này gồm hai giai đoạn:
1/- Giai đoạn làm dòng thuận bị triệt tiêu: thực hiện bằng cách thay đổi điện trở hoặc điện áp giữa anode và cathode.
2/- Giai đoạn khôi phục khả năng khóa của thyristor. Sau khi dòng thuận bị triệt tiêu, cần
có một thời gian - thời gian ngắt, để chuyển thyristor vào trạng thái khóa. Đặc tính V-A
Đặc tính V-A ngõ ra: quan hệ giữa điện áp và dòng điện đi qua hai cực anode, cathode
(xem hình 2.11). Đặc tính ngõ vào quan hệ giữa điện áp và dòng cổng G (cổng điều khiển).
Đặc tính V-A ngõ ra gồm 3 nhánh: Hình 2.11:
- Nhánh thuận (1): thyristor ở trạng thái dẫn điện. Độ sụt áp giữa anode –cathode nhỏkhông đáng kể.
- Nhánh nghịch (3): ứng với trạng thái nghịch tương tự như diode.
- Nhánh khóa (2): ứng với trạng thái khóa. Nếu dòng iG = 0 thì dạng nhánh khóa tương
tự như nhánh nghịch. Thay vì điện trở rR thì ở đây là điện trở rD (differential block resistance). 8
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
Tương tự ta có điện áp đóng u
. Khi điện áp đạt đến giá trị uBO, thyristor không BO thay vì uBR
bị phá hỏng mà sẽ bị đóng (chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn điện). Khi iG thay đổi,
tùy thuộc vào độ lớn của iG mà giá trị của điện thế khóa thay đổi theo (điện thế khóa giảm khi i =0) là sự cố gây ra
G tăng). Hiện tượng thyristor dẫn điện do tác dụng điện áp vượt quá uBO (iG
do quá điện áp xuất hiện trên lưới.
Thông thường, ta đóng thyristor bằng xung dòng qua mạch G, K. Điện trở thuận rT và
điện áp thuận uTO được định nghĩa tương tự như trường hợp của diode. Khác với diode, các
nhánh thuận của thyristor không bắt đầu từ góc zero của hệ trục mà từ giá trị IH – (holding
current) dòng duy trì ở trạng thái dẫn. Nếu giá trị dòng giảm nhỏ hơn iH thì thyristor trở về
trạng thái khóa. Ngay sau khi đóng thyristor, trước khi dòng cổng iG tắt, đòi hỏi dòng thuận
phải đạt đến hoặc vượt hơn giá trị dòng chốt iL, iL > iH (L: Latching). Hình 2.12: Hình 2.13:
Để đóng thyristor, khoảng đầu xung dòng kích phải có trị đủ lớn. Dạng xung dòng thường
sử dụng cho cổng có dạng như hình 2.12. Do tính chất của lớp nghịch không tốt nên không
được phép để xuất hiện trên nó điện thế âm dù chỉ rất nhỏ. Khi thyristor ở trạng thái nghịch
việc kích vào cổng G sẽ làm tăng dòng nghịch một cách vô ích. Các xung điều khiển thường
được truyền đến thyristor nhờ các biến áp xung. Nhiệm vụ của nó là tách mạch công suất khỏi
nguồn tạo xung kích. Khi sử dụng các biến áp xung, cần phải giải quyết vấn đề làm tắt nhanh
dòng từ hóa khi xung bị ngắt (nếu không thì dòng từ không ngừng tăng lên sau mỗi lần đưa
xung vào) và vấn đề bảo vệ lớp cổng của thyristor trước điện áp nghịch. Để giải quyết vấn đề
trên ta có thể sử dụng dạng mạch ở hình 2.16.
Các tính chất động
Tác dụng điện áp khóa u
): về bản chất đó là tác dụng điện áp nghịch lên lớp V (hoặc uD
bán dẫn (xem hình 2.13). Lúc đó, nó họat động như một tụ điện, điện dung của nó phụ thuộc
vào độ lớn điện áp đặt vào:
d C u( . V ) uV .dC C.duV iC 9
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn dt dt dt
duV đủ lớn (giả sử rằng C không
Theo phương trình trên, dòng iC đạt giá trị lớn khi dt
đổi). Bởi vì một phần đường dẫn của iC trùng với đường dẫn của dòng kích cổng nên có tác
dụng như đóng kích và làm đóng thyristor ngoài ý muốn. Vì thế người ta giới hạn độ dốc của
uV đến giá trị: Sucrit dudtV max
Việc đóng thyristor không xảy ra ngay khi xung dòng iG vào cổng. Thoạt tiên dòng dẫn
iV đi qua một phần nhỏ của tiết diện của thyristor ở chỗ nối với cổng G. Sau đó, điện tích dẫn
tăng dần lên của tiết diện phiến bán dẫn, điện áp khóa giảm dần. Đối với các thyristor, thông
thường thời gian đóng điện tgt ở trong khoảng 3 10µs. Khi dòng iV tăng nhanh quá, chỉ có một
phần nhỏ tiết diện chung quanh mạch cổng G dẫn điện và dẫn đến quá tải, có thể làm tăng nhiệt
độ lên đến giá trị làm hỏng linh kiện.
Vì thế độ tăng của dòng i di
V bị giới hạn đến giá trị Sicrit dtV max
Ngắt thyristor (xem hình 2.13): giai đoạn đầu diễn ra tương tự như khi ngắt diode .
Thời gian phục hồi tính nghịch trr, điện tích chuyển mạch Qr (lớn hơn đối với thyristor).
Sau khi phục hồi điện trở nghịch của các lớp J1 và J3 (xem hình 2.13), quá trình ngắt vẫn chưa
chấm dứt, cần có thêm một thời gian nữa để khôi phục khả năng khóa - tức là khôi phục điện
trở nghịch của lớp J . Vì vậy, ta định nghĩa thêm tq là thời gian ngắt tối thiểu cần thiết mà SCR 2
cần duy trì áp ngược để khôi phục khả năng khóa, nó bắt đầu khi dòng điện thuận trở về zero
cho đến khi điện áp khóa tác dụng trở lại mà không làm SCR đóng lại (Ig = 0). Nếu ta tác dụng điện áp khóa lên sớm. 10
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn Hình 2.14:
Hơn khoảng thời gian tq này, SCR có thể đóng ngắt ngoài ý muốn dẫu chưa có xung kích
đưa vào cổng kích. Thời gian ngắt phụ thuộc vào các điều kiện lúc ngắt như nhiệt độ chất bán
dẫn, dòng bị ngắt, tốc độ giảm dòng và điện áp nghịch. Các thyristor thường có t q trong khoảng
từ vài µs đến hàng trăm µs.
Các hệ quả: công suất tổn hao do đóng ngắt quá điện áp do quá trình chuyển đổi mạch, các giới hạn S
. Quá điện áp do quá trình chuyển mạch có thể được giới hạn bằng ucrit , Sicrit diV kết hợp với
mạch RC (song song với SCR) để giới mạch RC. Cuộn cảm kháng bảo vệ dt duV . hạn độ dốc dt Khả năng mang tải
Khả năng chịu áp, dòng và khả năng quá tải được xem xét tương tự như diode. Điện thế
nghịch cực đại có thể lặp lại uRRM và điện thế khóa uDRM thường bằng nhau và cho biết các giá
trị điện áp lớn nhất tức thời cho phép xuất hiện trên thyristor bởi vì điện thế cực đại không lặp
lại của thyristor thường không được biết. Khả năng chịu áp của thyristor đạt đến hàng chục kV,
thông thường ở mức 5-7 kV, dòng điện trung bình đạt đến khoảng 5.000A. Độ sụt áp khi dẫn
điện nằm trong khoảng 1,5-3V. Phần lớn các thyristor được làm mát bằng không khí.
Các thyristor đặc biệt: 11
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
Thyristor cao áp: có điện áp lặp lại lớn nhất khoảng vài nghìn volt. Các thông số đặc
trưng tính chất động của nó không có lợi (Qr, tq,Sucrit, Sicrit).
Thyristor nhanh: các thông số cải tiến tính chất động được tốt hơn như tq nhỏ, Sucrit và Sicrit
lớn. Khả năng chịu áp và dòng của nó thấp hơn.
Thyristor GATT: bản chất giống như thyristor đáp ứng nhanh. Bằng các tác dụng điện áp
ngược lên mạch cổng, thời gian tq có thể giảm xuống còn phân nửa so với thyristor nhanh.
Fotothyristor: Có thể cho đóng bình thường bằng xung kích vào cổng G, hoặc bằng tia
sáng lên vị trí nhất định của vỏ chứa thyristor.
Fotothyristor cách ly nguồn xung kích và mạch công suất, các dạng của nó được vẽ trên
hình 2.15. Trong đó phương án ở hình a/- sử dụng dạng vi mạch giúp tận dụng nguồn tia sáng
kích thích, phương án b/- và c/- bảo đảm cách ly tốt giữa nguồn xung kích và mạch công suất,
do đó hạn chế nhiều tác dụng của sóng nhiễu, dạng c/- chỉ cần công suất kích của nguồn sáng không đáng kể. Hình 2.15: Mạch kích thyristor
Trong các bộ biến đổi công suất dùng thyristor, thyristor và mạch tạo xung kích vào cổng
điều khiển của nó cần cách điện. Tương tự như các mạch kích cho transistor, ta có thể sử dụng
biến áp xung hoặc optron, xem hình 2.16 12
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn (a) Hình 2.16: (b)
Mạch kích dùng biến áp xung được vẽ trên hình 2.16a. Sau khi tác dụng áp lên mạch
cổng B của transistor Q1. Transistor Q1 dẫn bão hòa làm điện áp Vcc xuất hiện trên cuộn sơ cấp
của biến áp xung và từ đó xung điện áp cảm ứng xuất hiện phía thứ cấp biến áp. Xung tác dụng
lên cổng G của thyristor. Khi khóa xung kích cho transistor Q1 bị ngắt dòng qua cuộn sơ cấp
biến áp xung duy trì qua mạch cuộn sơ cấp và diode Dm.
Việc đưa xung kích dài vào cổng G làm tăng thêm tổn hao mạch cổng, do đó có thể thay
thế nó bằng chuỗi xung. Muốn vậy, xung điều khiển kết hợp với tín hiệu ra của bộ phát xung
vuông qua mạch cổng logic AND trước khi đưa vào cổng B của transistor Q1 (xem hình 2.16b)
Mạch bảo vệ thyristor: thông thường, mạch RC mắc song song với thyristor (hình 2.16)
có thể sử dụng để bảo vệ nó chống quá điện áp. Mạch có thể kết hợp với cuộn kháng bảo vệ diV .
mắc nối tiếp với thyristor chống sự tăng nhanh dòng điện qua linh kiện dt 2.5. TRIAC
Triac là linh kiện có thể dẫn dòng điện theo cả hai chiều. Vì vậy định nghĩa dòng thuận
và dòng ngược không có ý nghĩa, tương tự cho khái niệm điện áp ngược. Việc kích dẫn triac
thực hiện nhờ xung dòng điện đưa vào cổng điều khiển G. Điều kiện để triac đóng điện là đưa
xung dòng kích vào cổng điều khiển trong điều kiện tồn tại điện áp trên linh kiện khác 0.
Giống như thyristor, không thể điều khiển ngắt dòng qua triac. Triac sẽ ngắt theo qui
luật đã được giải thích đối với thyristor.
Mô tả và chức năng
Việc đóng triac theo cả hai chiều được thực hiện nhờ 1 cổng duy nhất G và xung dòng
kích vào cổng G có chiều bất kỳ. Bởi vì triac dẫn điện cả hai chiều nến chỉ có hai trạng thái,
trạng thái dẫn và khóa. Mặc dù vậy có thể định nghĩa triac có chiều thuận và chiều nghịch. Đặc tính V-A
Đặc tính V-A của triac tương tự như thyristor. Do khả năng dẫn điện theo cả hai chiều,
đặc tính triac có dạng đối xứng qua tâm tọa độ. Cần nói thêm về trường hợp đặc tính cổng điều
khiển. Việc kích đóng triac có thể chia ra làm các trường hợp: 13
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn Hình 2.17:
uV > 0: a/- uG > 0 , iG > 0 b/- uG < 0 , iG < 0
uVR > 0: c/- uG > 0 , iG > 0 d/- uG < 0 , iG < 0
Mặc dù có thể tạo dòng kích có dấu tùy ý, nhưng thực tế sẽ là thuận lợi hơn khi dòng kích
dương cho trường hợp dòng qua triac dương và dòng kích âm khi dòng qua triac âm. Các tính chất động
Việc đóng (xem thyrisror): thời gian đóng tgt , nhanh nhất ở trường hợp a, chậm nhất ở
trường hợp c. Tốc độ tăng của dòng dẫn bị giới hạn bởi: Sicrit didtV didtVR max max
Việc ngắt (xem thyristor): thời gian ngắt được tính từ lúc giảm dòng dẫn theo một hướng
về 0 đến khi có thể đặt điện áp khóa cùng chiều đó lên triac. Nếu ta ngắt dòng dẫn của triac
trong một chiều nào đó, điện thế khóa ở chiều ngược lại tăng lên ở cuối quá trình chuyển mạch
với tốc độ lớn có thể gây ra việc đóng ngoài ý muốn. Vì thế, tốc độ tăng của điện thế khóa khi
chuyển mạch bị giới hạn bởi giá trị: Sucrit dudtV max dudtVR max
Các giá trị Sucrit thường nhỏ hơn 20V/µs. Tốc độ giới hạn của điện thế khóa Sucrit đối với
triac điện ở trạng thái không dẫn điện có giá trị cao hơn - khoảng vài trăm V/µs.
Khả năng chịu tải
Định mức điện áp: Xác định theo điện áp khóa cực đại có thể lặp lại, nó bằng nhau cho cả hai hướng u
. Điện áp cực đại không lặp lại không được biết. DRM = uRRM 14
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
Định mức dòng điện: Xác định theo giá trị hiệu dụng lớn nhất của dòng dẫn i . Thường VM
được định nghĩa cho dòng hình sin đối với nhiệt độ cho trước và tốc độ làm mát cho trước.
2.6. GTO, IGCT, MCT, IGBT
2.6.1. GTO (Gate Turn Off Thyristor) Hình 2.18:
GTO có cấu tạo gồm bốn lớp pnpn tương tự với thyristor thông thường (SCR)- hình
2.18a, với các tính năng tương tự của thyristor với điểm khác biệt là có thể điều khiển ngắt
dòng điện qua nó. Mạch tương đương GTO được vẽ trên hình 2.18b có cấu trúc tương tự mạch
mô tả SCR nhưng có thêm cổng kích ngắt mắc song song cổng kích đóng. Ký hiệu linh kiện GTO vẽ trên hình 2.18c.
GTO được kích đóng bằng xung dòng điện tương tự như khi kích đóng thyristor thông
thường. Dòng điện kích đóng được tăng đến giá trị IGM và sau đó giảm xuống đến giá trị IG.
Điểm khác biệt so với yêu cầu xung kích đóng SCR là dòng kích iG phải tiếp tục duy trì trong
suốt thời gian GTO dẫn điện. Mạch bảo vệ
Linh kiện GTO cần phải có mạch bảo vệ. Quá trình ngắt GTO đòi hỏi sử dụng xung dòng
kích đủ rộng. Điều này dẫn đến thời gian ngắt dài, khả năng di/dt và dv/dt của GTO thấp. Vì
thế, cần phải giới hạn các trị số hoạt động không vượt quá giá trị an toàn trong quá trình ngắt
GTO. Hình 2.19a là mạch bảo vệ GTO trong quá trình ngắt. Tụ điện C dùng để bảo vệ GTO
trong quá trình kích ngắt phải có giá trị điện dung lớn hơn giá trị qui định của nhà sản xuất, đạt
đến độ lớn khoảng vài µF. Ngoài ra, GTO đòi hỏi mạch bảo vệ chống hiện tượng tăng nhanh dòng điện khi đóng.
Diode của mạch bảo vệ phải có khả năng chịu gai dòng lớn bởi vì trong quá trình sẽ xuất
hiện dòng có biên độ lớn qua diode và tụ điện. Điện trở mạch bảo vệ có trị số nhỏ và đảm bảo
tụ xả điện hoàn toàn trong khoảng thời gian đóng ngắn nhất của GTO khi vận hành. Khi GTO
đóng, năng lượng tích trữ trên tụ sẽ phải tiêu tán hết trên điện trở này. Vì thế, giá trị định mức
công suất của điện trở khá cao.
Mỗi GTO có một giá trị dòng được điều khiển cực đại mà nếu vượt quá thì không thể
ngắt nó bằng xung dòng ngược ở cổng Gate. Nếu trong quá trình vận hành bộ biến đổi công
suất sử dụng GTO như linh kiện đóng ngắt, sự cố có thể xảy ra (ví dụ như ngắn mạch) gây nên 15
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
hiện tượng quá dòng, hệ thống bảo vệ phải được thiết kế để nhận biết sự cố và ngắt GTO để
bảo vệ linh kiện. Nếu như giá trị dòng qua GTO khi sự cố xảy ra thấp hơn trị số dòng cực đại
thì có thể ngắt GTO bằng xung dòng cổng âm điều khiển với biên độ thích hợp. Nhưng nếu
giá trị dòng sự cố vượt quá giá trị bảo vệ bằng xung dòng âm, cần sử dụng mạch “bảo vệ kiểu
đòn bẩy“ (gồm khóa công suất mắc song song với linh kiện GTO). Nguyên lý hoạt động của
mạch bảo vệ là tạo ngắn mạch nguồn cấp điện cho GTO bằng cách kích đóng một SCR mắc
song song với linh kiện GTO. Dòng ngắn mạch làm chảy cầu chì và cắt linh kiện GTO khỏi
nguồn. Điều đó được minh họa trên hình 2.18b.
Trong những năm gần đây, GTO trở thành linh kiện đóng ngắt đươc sử dụng rộng rãi cho
các mạch công suất lớn: một GTO loại “nối tắt anode” có giá trị định mức áp khoảng 4500V
và định mức dòng 6000A. Các giá trị tương ứng của loại GTO cho phép dẫn dòng ngược là
4500V và 3000A (Mitsubishi 1998). Điện áp đặt trên GTO khi dẫn điện thường cao hơn SCR
(2-3V). Tốc độ đóng ngắt từ vài µs đến 25µs. Tần số đóng ngắt khoảng 100Hz đến 10kHz. (a) Hình 2.19: (b)
Linh kiện công suất sẽ có chất lượng cao nếu cho độ sụt áp thấp khi dẫn điện (như
thyristor), yêu cầu mạch điều khiển đơn giản và khả năng ngắt dòng nhanh (như IGBT). Hiện
nay, một số linh kiện như vậy đã xuất hiện trên thị trường và chúng có khả năng thay thế dần
GTO. Chúng có thể xem là những dạng cải tiến của GTO, chế tạo theo nguyên lý khối tích hợp
(Power Electronics Building Block- PEBB) nhằm giảm bớt các yêu cầu về mạch kích và làm
tăng khả năng ngắt nhanh. Các linh kiện này gồm MTO (MOS Turn-Off Thyristor), ETO
(Emitter Turn-Off Thyristor) và IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor).
2.6.2. IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor)
Cấu tạo và chức năng
Việc cải tiến công nghệ chế tạo GTO thyristor đã phát minh ra công nghệ IGCT.
GCT (Gate Commutated Thyristor) là một dạng phát triển của GTO với khả năng kéo
xung dòng điện lớn bằng dòng định mức dẫn qua cathode về mạch cổng trong 1 s để đảm bảo
ngắt nhanh dòng điện. Cấu trúc của GCT và mạch tương đương của nó giống như của GTO. 16
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
IGCT là linh kiện gồm GCT và có thêm một số phần tử hỗ trợ, bao gồm cả board mạch
điều khiển và có thể gồm cả diode ngược.
Để kích đóng GCT, xung dòng điện được đưa vào cổng kích làm đóng GCT tương tự như trường hợp GTO.
Để kích ngắt GCT, tiếp xúc PN base-emitter được phân cực ngược bằng cách cung cấp
điện áp nguồn ngược chiều. Điều này làm triệt tiêu dòng điện qua cathode vì toàn bộ dòng
điện đi qua cathode sẽ được đẩy sang mạch cổng với tốc độ rất nhanh và biến GCT trở thành một transistor pnp.
Để có thể tạo dòng điện qua mạch cổng tăng nhanh và đủ lớn, GCT (IGCT) được chế
tạo đặc biệt để giảm cảm kháng mạch cổng (mạch vòng cổng điều khiển – cathode) đến giá trị nhỏ nhất.
Vấn đề mấu chốt của GCT là tạo khả năng tăng nhanh dòng điện qua cổng. Điều này
đạt được bằng ống dẫn điện đồng trục qua mạch cổng- cathode và công nghệ mạch điều khiển
nhiều lớp (multilayer). Chúng cho phép dòng cổng tăng với tốc độ 4kA/ s khi điện thế cổng-
cathode ở mức 20V. Trong thời gian 1 s, transistor npn của GTO bị ngắt hoàn toàn và cực
cổng của transistor pnp còn lại bị mở làm GCT bị ngắt. Do việc ngắt thực hiện bằng xung
dòng rất ngắn nên công suất tổn hao mạch cổng được giảm đến mức tối thiểu. Công suất tiêu
thụ của GCT giảm đi khoảng 5 lần so với trường hợp GTO.
Lớp p phía anode được làm mỏng và làm giàu hạt mang điện chút ít để cho phép khử
các hạt mang điện phía anode nhanh hơn trong thời gian ngắt. IGCT có thể tích hợp diode
ngược bằng tiếp xúc n+n-p được vẽ bên phải của hình 2.20. Diode ngược cần thiết trong cấu
tạo của các bộ nghịch lưu áp. Hình 2.20:
Quá trình ngắt dòng điện của GCT bởi tác dụng xung dòng kích cổng được vẽ minh họa
trên hình 2.22. Để có thể so sánh với quá trình ngắt dòng của GTO, đồ thị của dòng cổng được vẽ cho hai trường hợp.
Khả năng chịu tải
Ưu điểm chính của IGCT thể hiện ở các mặt sau:-khả năng chịu áp khóa cao đến 6kV 17
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
( dự kiến sẽ tăng lên đến 10kV) với độ tin cậy cao; tổn hao thấp khi dẫn điện bởi có khả năng
dẫn như thyristor; khả năng giới hạn dòng ngắn mạch sử dụng mạch bảo vệ chứa cuộn kháng
hạn chế di/dt (turn on snubber) và giá thành thấp do tận dụng công nghệ silicon với mức tích hợp năng lượng cao. Hình 2.21: Hình 2.22:
Các thiết bị sử dụng IGCT có công suất thay đổi trong khoảng 0,3 đến 5MW cho các
ứng dụng truyền động điện nói chung, đến 5MW cho thiết bị ổn định điện áp (Dynamic
Voltage Restorer), nguồn dự phòng (Dynamic UPS) và máy cắt, đến 20MW đối với các truyền
động đặc biệt, 25MW đối với mạch siêu dẫn từ SMES (Supermagnetic Energy Storage) và
100MW cho thiết bị truyền tải điện (interties).
2.6.3. MCT (Mos Controlled Thyristor)
Cấu tạo và chức năng
MCT có cấu tạo kết hợp công nghệ của thyristor với ưu điểm tổn hao dẫn điện thấp và
khả năng chịu áp cao vàø của MOSFET với khả năng đóng ngắt nhanh.
Hình 2.23 mô tả cấu trúc cắt ngang của một MCT, trong đó MOSFET được tích hợp
trong cấu trúc của SCR để thực hiện điều khiển quá trình đóng và ngắt linh kiện này. MCT
được điều khiển qua cổng MOS. Trong công nghiệp thường xuất hiện các MCT loại p. Ký
hiệu và đặc tính của MCT được mô tả trên hình 2.24. 18
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn Hình 2.23: Hình 2.24:
Để kích dẫn MCT, xung điện áp âm được đưa vào giữa cổng gate- anode. Điều này dẫn
đến việc đóng On- FET (p-FET) (trong khi đó cổng “off-FET” (n-FET) vẫn bị khóa) và kích
thích lớp cổng đệm -emitter của transistor npn Q1. Transistor Q1 và Q2 sau đó chuyển sang trạng thái dẫn điện.
Để ngắt MCT, điện áp cổng gate – anode chuyển sang giá trị dương. Điều này làm
OffFET Q4 dẫn điện và làm nối tắt mạch emitter – lớp đệm của transistor Q2. Transistor Q2
vì thế bị tắt làm MCT bị ngắt.
MCT đạt độ sụt áp thấp khi dẫn điện (như GTO) và thấp hơn cả IGBT. Phương pháp
điều khiển dùng xung điện áp (như MOSFET, IGBT). Mạch lái đơn giản hơn so với GTO vì
không đòi hỏi xung dòng điện âm kích cổng. Tốc độ đóng ngắt của MCT nhanh hơn so với
GTO. Vì thế, MCT đang dần trở thành linh kiện điều khiển ngắt lý tưởng cho các tải có yêu
cầu độ sụt áp thấp, tổn hao thấp và đóng ngắt nhanh. Khả năng dòng điện của MCT nhỏ hơn so với GTO. 19
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
Khả năng chịu tải
MCT được áp dụng cho các trường hợp yêu cầu điện trở và độ tự cảm nhỏ với khả năng
chịu được gai dòng điện lớn và di/dt cao. MCT có khả năng chịu được độ tăng dòng điện
1.400kA/ s và giá trị dòng đỉnh 14kA, tính qui đổi trên diện tích là 40kA/cm2 đối với xung
dòng điện. Các MCT được chế tạo ở dạng tích hợp ví dụ gồm 4 đến 6 linh kiện (ThinPak).
MCT được sử dụng làm thiết bị phóng nạp điện cho máy bay, xe ô tô, tàu thủy, nguồn
cung cấp, ti vi. MCT cũng được sử dụng làm công tắc chuyển mạch mềm (Soft switching)
trong các mạch dao động cộng hưởng (Auxiliary Resonant Commutated Pole). Khả năng chịu
di/dt cao và gai dòng lớn còn mở ra hướng phát triển dùng MCT chế tạo các máy cắt với ưu
điểm gọn nhẹ, giá thành hạ và đáp ứng nhanh so với các máy cắt bán dẫn hiện tại. MCT dạng
tích hợp (ThinPak) còn được sử dụng trong các hệ truyền động máy kéo trong giao thông vận tải.
2.6.4. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
IGBT có ký hiệu, mạch điện tương đương vẽ trên hình 2.25.
IGBT là transistor công suất hiện đại, chế tạo trên công nghệ VLSI, cho nên kích thước
gọn nhẹ. Nó có khả năng chịu được điện áp và dòng điện lớn cũng như tạo nên độ sụt áp vừa phải khi dẫn điện.
IGBT có phần tử MOS với cổng cách điện được tích hợp trong cấu trúc của nó. Giống
như thyristor và GTO, nó có cấu tạo gồm hai transistor. Việc điều khiển đóng và ngắt IGBT
được thực hiện nhờ phần tử MOSFET đấu nối giữa hai cực transistor npn.
Việc kích dẫn IGBT được thực hiện bằng xung điện áp đưa vào cổng kích G. Đặc tính V-
A của IGBT có dạng tương tự như đặc tính V-A của MOSFET.
Khi tác dụng lên cổng G điện thế dương so với emitter để kích đóng IGBT, các hạt mang
điện loại n được kéo vào kênh p gần cổng G làm giàu điện tích mạch cổng p của transistor npn
và làm cho transistor này dẫn điện. Điều này sẽ làm IGBT dẫn điện. Việc ngắt IGBT có thể
thực hiện bằng cách khóa điện thế cấp cho cổng kích để ngắt kênh dẫn p. Mạch kích của IGBT vì thế rất đơn giản. Hình 2.25:
Ưu điểm của IGBT là khả năng đóng ngắt nhanh, làm nó được sử dụng trong các bộ
biến đổi điều chế độ rộng xung tần số cao. Mặc khác, với cấu tạo của một transistor, IGBT có
độ sụt áp khi dẫn điện lớn hơn so với các linh kiện thuộc dạng thyristor như GTO. Tuy nhiên, 20
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
IGBT hiện chiếm vị trí quan trọng trong công nghiệp với họat động trong phạm vi công suất
đến 10MW hoặc cao hơn nữa.
Công nghệ chế tạo IGBT phát triển tăng nhanh công suất của IGBT đã giúp nó thay thế
dần GTO trong một số ứng dụng công suất lớn. Điều này còn dẫn đến các cải tiến hơn nữa công
nghệ của GTO và tạo nên các dạng cải tiến của nó như MTO, ETO và IGCT.
Giống như MOSFET, linh kiện IGBT có điện trở mạch cổng lớn làm hạn chế công suất
tổn hao khi đóng và ngắt. Giống như BJT, linh kiện IGBT có độ sụt áp khi dẫn điện thấp (∼2?
3V; 1000V định mức) nhưng cao hơn so với GTO. Khả năng chịu áp khóa tuy cao nhưng thấp
hơn so với các thyristor. IGBT có thể làm việc với dòng điện lớn. Tương tự như GTO, transistor
IGBT có khả năng chịu áp ngược cao.
So với thyristor, thời gian đáp ứng đóng và ngắt IGBT rất nhanh, khoảng một vài µs và
khả năng chịu tải đến 4,5kV-2.000A. Hiện nay công nghệ chế tạo IGBT đang được đặc biệt
phát triển để đạt dến mức điện áp vài ngàn Volt (6kV) và dòng điện vài ngàn Amper.
IGBT có khả năng hoạt động tốt không cần đến mạch bảo vệ. Trong trường hợp đặc biệt,
có thể sử dụng mạch bảo vệ của MOSFET áp dụng cho IGBT.
Modul IGBT thông minh (Intelligent Power Modul): được chế tạo bởi công nghệ tích hợp
cao. Trên modul chứa đựng phần tử IGBT, mạch kích lái, mạch bảo vệ, cảm biến dòng điện.
Các modul này đạt độ tin cậy rất cao.
Mạch kích IGBT đượt thiết kế tương tự như mạch kích cho MOSFET. Do giá thành IGBT
cao, và đặc biệt cho công suất lớn, mạch kích lái IGBT được chế tạo dưới dạng IC công nghiệp.
Các IC này có khả năng tự bảo vệ chống quá tải, ngắn mạch, được chế tạo tích hợp dạng modul
riêng (1,2,4,6 driver) hoặc tích hợp trên cả modul bán dẫn (hình thành dạng complex (bao gồm
mạch lái, IGBT và mạch bảo vệ) )
Trên bảng 2.1 mô tả thông số một số linh kiện IGBT gồm: điện áp định mức, dòng điện
định mức, độ sụt áp khi dẫn điện (VTM) và thời gian đáp ứng khi kích dẫn linh kiện (ton).
Bảng 2.1: Các thông số đặc trưng của IGBT Loại
Điện áp định mức lớn nhất
Dòng trung bình định mức VTM ton (đặc trưng) Linh kiện rời HGTG32N60E2 600V 32A 2.4V 0.62 s HGTG30N120D2 1200V 30A 3.2V 0.58 s Linh kiện dạng module CM400HA-12E 600V 400A 2.7V 0.3 s CM300HA-24E 1200V 300A 2.7V 0.3 s Module áp thấp 30V 60A 0.48V 45V 440A 0.69V 150V 30A 1.19V
2.6.5. Một số linh kiện khác
2.6.5.1. MTO (Mos Turn Off Thyristor)
Linh kiện MTO thyristor được phát triển bởi hãng SPCO (Silicon Power Coperation)
trên cơ sở công nghệ GTO và MOSFET. Chúng khắc phục các nhược điểm của GTO liên quan 21
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
đến công suất mạch kích, mạch bảo vệ và các hạn chế của tham số dv/dt. Không giống như
IGBT tích hợp cấu trúc MOS phủ lên toàn bộ tiết diện bán dẫn, MTO đặt MOS FET trên phiến silicon.
Khả năng chịu tải:
MTO thích hợp sử dụng cho các truyền động công suất lớn, điện áp cao (>3kV cho đến
10kV), dòng điện lớn hơn 4000A, độ sụt áp thấp (thấp hơn so với IGBT) và cho công suất tải
trong phạm vi 1MVA đến 20MVA do khả năng điều khiển đơn giản và chịu được áp khóa
lớn. MTO có thể sử dụng cho các thiết bị điều khiển công suất trong hệ thống điện (FACTS
Controller) làm việc trên nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM. Các nguồn điện dự phòng
công suất lớn (UPS) cũng là một hướng áp dụng của MTO. Khả năng điều khiển cắt nhanh và
dễ dàng của MTO làm cho nó có thể ứng dụng thuận lợi làm các thiết bị cắt dòng điện DC và dòng điện AC.
2.6.5.2. ETO (Emitter Turn Off Thyristor)
Giống như MTO, ETO được phát triển trên cơ sở kết hợp các công nghệ của GTO và
MOSFET. ETO được phát minh bởi Trung tâm điện tử công suất Virginia (Virginia Power
Electronics Center) hợp tác với hãng SPCO.
2.7. SO SÁNH KHẢ NĂNG HỌAT ĐỘNG CỦA CÁC LINH KIỆN
Khả năng họat động của các linh kiện bán dẫn công suất được so sánh theo hai khía cạnh
công suất mang tải và tốc độ đóng ngắt.
Linh kiện GTO công suất lớn được sản xuất với khả năng chịu được điện áp/dòng điện
từ 2,5-6kV/1-6kA. GTO còn được chế tạo chứa diode ngược với tổn hao thấp, khả năng chịu
điện áp/ dòng điện của nó đạt đến 4,5kV/3kA.
Linh kiện GCT đươc chế tạo gần đây có khả năng chịu được điện áp/dòng điện 6kV/6kA
với khả năng chuyển mạch gần như toàn bộ dòng điện sang mạch cổng khi kích ngắt. Cảm
kháng mạch cổng giảm đến 1/100 so với loại GTO thông thường, cho phép tốc độ tăng dòng
điện cổng khi kích ngắt đến diGQ/dt = 6.000A/ s. Thời gian lưu trữ ts giảm còn khoảng 1/10
so với của GTO. Các tính chất cho phép GCT rất thuận tiện khi mắc song song hoặc nối tiếp
và khả năng điều khiển đóng ngắt công suất lớn ngay cả không sử dụng mạch bảo vệ.
Các diode cho nhu cầu thông thường đươc chế tạo với khả năng chịu được điện áp thay
đổi từ 500V đến 4kV và dòng điện từ 60A đến 3,5kA. Đối với nhu cầu đóng ngắt nhanh khả
năng dòng đạt đến 800-1.700A và điện áp 2.800-6.000V,
Các thyristor cho nhu cầu thông thường đươc chế tạo với khả năng chịu được điện áp
thay đổi từ 400V đến 12kV và dòng điện từ 1000A đến 5kA. Đối với nhu cầu đóng ngắt nhanh,
khả năng dòng đạt đến 800-1.500A và điện áp 1.200-2.500V,
Các linh kiện IGBT dạng modul được chế tạo với khả năng chịu được điện áp/ dòng điện
1,7-3,3kV/400-1.200A. Khả năng chịu điện áp cao của IGBT (HVIGB module) gần đây đã
đạt đến 6kV. Các linh kiện chế tạo dạng modul tạo thuận lợi cho việc lắp đặt, kết nối mạch
và làm giảm kích thước, trọng lượng của hệ thống công suất.
2.8. VẤN ĐỀ LÀM MÁT VAN BÁN DẪN 22
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 2. Các linh kiện bán dẫn
Khi chọn van ta phải chú ý đến điều kiện làm mát cho van vì khi hoạt động, van toả nhiệt
rất lớn nên điều kiện làm mát cho van sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả cũng như tuổi thọ của van.
Nếu van hoạt động trong điều kiện được làm mát bằng không khí nhờ cánh tản nhiệt thì van có
thể làm việc tốt với 25% dòng định mức. Nếu van làm việc trong điều kiện làm mát bằng quạt
gió cưỡng bức thì van có thể chịu được đến 30 60% dòng định mức. Nếu làm mát bằng nước
thì van có thể chịu được đến 80% dòng định mức.
Ngoài ra khi sử dụng cần luôn phải chú ý đến việc bảo vệ quá dòng, áp cho van bán dẫn. 23
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
Khi dùng cách mắc nối tiếp các van thì phải dùng các van có cùng các thông số kỹ thuật
và phải mắc song song với mỗi van một điện trở phân áp rpa hoặc một tụ phân áp Cpa như Hình
3.1, để san bằng điện áp ngược cho các van. Itb tÝnh to¸n nss 11 12, , (3.2) I®m
Khi dùng cách mắc song song phải sử dụng các van có các thông số kỹ thuật giống nhau
và phải mắc nối tiếp với mỗi van một điện trở phân dòng r như Hình 3.2, để hiệu chỉnh dòng pd
đồng đều giữa các van. D r Hình 3.2: Cách mắc 1 pd D r 2 pd song song các
van nắn rpd chọn theo
điềukiện: rpd > rv. Dn r pd r : điện trở thuậncủa van, v được tính bằng: rv U I®m
Ngày nay đã sản xuất được các van bán dẫn có Iđm = 1600A, nên việc mắc song song các
van trong 1 bộ chỉnh lưu là không cần thiết, khi cần dòng tải lớn người ta thực hiện mắc song
song nhiều bộ chỉnh lưu.
3.2. CÁC DẠNG MẠCH CHỈNH LƯU CƠ BẢN
3.2.1. Chỉnh lưu một pha không điều khiển
Chỉnh lưu một pha không điều khiển là các bộ chỉnh lưu làm việc với điện áp xoay chiều
một pha và các van nắn là diode, do đó điện áp một chiều đầu ra không điều khiển được. 24
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
Các bộ chỉnh lưu một pha là các bộ chỉnh lưu với công suất vừa và nhỏ, thường không
quá 15 kW. Các bộ chỉnh lưu có công suất lớn thường dùng chỉnh lưu 3 pha để không làm mất
cân bằng các pha điện lưới.
3.2.1.1. Chỉnh lưu 1 pha nửa sóng
Với bộ chỉnh lưu kiểu nửa sóng (hoặc chỉnh lưu nửa chu kỳ) thì điện áp xoay chiều đầu
vào bộ chỉnh lưu có thể lấy thẳng từ điện lưới hoặc thông qua biến áp như Hình 3.3a, b.
Nếu tải cần cách ly với điện mạng và điện áp một chiều trên tải khác xa với điện áp mạng
thì phải dùng biến áp (Hình 3.3b). Hình 3.3 : Sơ a D i0 + a D i0 + đồ ~ u u 0 s u u u u R t R 1 2 0 b St b
a) Không dùng biến áp b) Dùng biến áp
chỉnh lưu một pha nửa sóng
a) Xét với tải thuần trở (Hình 3.3a, b) Điện
áp nguồn đặt vào bộ chỉnh lưu là us. us U sin tM
Diode D làm nhiệm vụ chỉnh lưu, Rt là tải của bộ chỉnh lưu , có tính thuần trở.
Giả sử nửa chu kỳ đầu của điện áp nguồn us, t = 0 là bán chu kỳ dương của us nên D
thông vì phân cực thuận nên có dòng i0 qua tải.
Nửa chu kỳ sau của us, khi t = 2 là bán chu kỳ âm của us nên D ngắt do phân cực
ngược, không có dòng qua tải, i0 = 0 và u0 = 0, tại bán chu kỳ này diode D chịu điện áp ngược.
Nếu bỏ qua tổn hao trên diode D và nguồn, ta có các dạng sóng đầu vào, đầu ra của bộ
chỉnh lưu, dòng điện, điện áp ngược trên diode trên hình 3.3c.
Hình 3.3c: Các dạng sóng của bộ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng tải trở 25
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện U
Như vậy, chỉ có bán chu kỳ dương của điện
áp vào (us) diode D mới dẫn, do đó mới có dòng
và áp trên tải, còn bán chu kỳ âm của us thì diode
D khóa, vì vậy dòng và áp trên tải bằng không.
Vậy trong 1 chu kỳ của điện áp mạng, chỉ có 1
xung dòng qua tải. Gọi số xung dòng qua tải trong
1 chu kỳ của điện áp mạng là m; chỉnh lưu 1 pha
nửa sóng , m = 1. Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu
là một chiều nhưng ngắt quãng, tần số của điện
áp gợn sóng (Ripple) trên tải là: fg = m.f = 50Hz.
Điện áp trên tải u , dòng tải 0
i0 là xung, nên phân tích theo Fourier ta có:
u0 U0 u0~ n 135, , ..
i0 I0 i0~ n 135, , ...
Trong đó: U0, I0 là thành phần một chiều (giá trị trung bình) của điện áp và dòng tải, còn
u0~ và i0~là các thành phần xoay chiều của điện áp, dòng trên tải, ta gọi là các hài,
n 135, , ... n 135, , ... các thành phần xoay chiều gây nên độ gợn sóng (Ripple) (hay còn gọi là độ đập
mạch) của điện áp trên tải.
Bỏ qua tổn hao trên diode và nguồn, ta tính được trị số điện áp một chiều trên tải theo công thức: mT U0 T 0u t dts (3.3)
Với sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng, u0 = 0 khi T/2 t T nên công thức (3.3) trong trường hợp này là: 26
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện U0 mT T UMT cos T 1 U sinM t dt 2 0
do f = 1/T và = 2 f, nên U
U0 M 0318, .UM 045, U (3.4) U 0318,.U 045,U I0 0 M Rt Rt Rt
U là trị số hiệu dụng của us.
- Trị số hiệu dụng của điện áp trên tải.
Ut T1 T/ 2 2
U2M 05, UM U sin t dtM 0
- Trị số hiệu dụng của dòng tải: U 05, U (3.5) It hdt M Rt Rt
- Trị số hiệu dụng của các thành phần xoay chiều trên tải.
U0 Ut2 U02 (3.6)
- Tỷ số của điện áp hiệu dụng trên tải với điện áp một chiều trên tải gọi là hệ số dạngsóng, được ký hiệu là. Ut d (3.7) U0
- Tỷ số giữa điện áp hiệu dụng của các thành phần xoay chiều trên tải U0 với thành phần
một chiều trên tải U0, gọi là hệ số gợn sóng, được ký hiệu là g. U g 0 (3.8) U0
Từ biểu thức (3.6) và (3.8) ta suy ra: d (3.9) 27
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
- Hiệu suất chỉnh lưu: là tỷ số của công suất một chiều trên tải P0 với công suất hiệu dụng trên tải Pt . P0 (3.10) Pt
Pt là công suất hiệu dụng trên tải.
b) Với tải dung tính (hình 3.4a)
Khi đầu ra của bộ chỉnh lưu ta mắc một tụ C, có trị số sao cho: 1 Xc Rt m c
ở đây m =1, thì tải của bộ chỉnh lưu được coi là mang tính dung (hình 3.4a). 0 uC
C n ạ pC phóng I UM rS 0
i 0 + U Rt U 0 0 C Us 2 t D i uC I 0 2 t i a) 0 b)
Hình 3.4: Sơ đồ chỉnh lưu 1pha nửa sóng tải dung tính (a)
và dạng điện áp trên tải, thời gian dẫn của diode D (b)
Với điều kiện XC << Rt thì tất cả các thành phần xoay chiều của dòng chính lưu i0~ sẽ
được nối tắt qua tụ C, qua tải chỉ có thành phần một chiều I0.
Vì sự có mặt của tụ C nên khi D thông, C được nạp với hằng số thời gian nạp 28
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
n = (rS + rD)C, khi D ngắt, C phóng qua tải với hằng số thời gian phóng:
p= RtC. Vì nội trở
nguồn rs và điện trở thuận của diode D là rD rất nhỏ so với trở tải: (rS+rD) << Rt nên n << p,
nghĩa là trong 1 chu kỳ điện mạng thời gian tụ C được nạp rất nhỏ so với thời gian tụ C phóng
qua tải nên điện áp trên tải biến đổi rất ít. Diode D chỉ thông khi điện áp dương tức thời của
nguồn us đặt trên anốt của nó vượt điện áp uc nên xuất hiện góc cắt của xung dòng i0, 2 là
thời gian thông của diode D. phụ thuộc rs; rD và Rt. 3 rs rD (3.11) Rt
Điện áp một chiều trên tụ C (trên tải) được tính bằng: Uc U0 U cosM (3.12)
Khi hở tải (Rt = ) = 0 và U0hm =UM
U0hm là điện áp một chiều trên tải khhi hở Rt.
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode D trong trường hợp hở tải (Rt = ) là:
UD ng max 2UM 2 2U (3.13)
Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng có ưu điểm là đơn giản nhưng nhược điểm lớn là:
Hệ số gợn sóng g lớn, tần số gợn sóng nhỏ fg = 50Hz = f mạng nên khó lọc san bằng và
dòng trung bình qua van nắn lớn Itbv = Io nên sơ đồ chỉnh lưu loại này rất ít được dùng trong các
thiết bị điện tử và trong công nghiệp, nhưng là cơ sở để ta hiểu nguyên lý vận hành của bộ chỉnh lưu.
3.2.1.2. Chỉnh lưu 1 pha toàn sóng
1) Chỉnh lưu 1 pha toàn sóng với thứ cấp biến áp có điểm giữa a)
Tải thuần trở (hình 3.5a) 29
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện b)
Hình 3.5: Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha toàn sóng thứ cấp biến áp có điểm giữa với
tải trở (a) và dạng sóng đầu vào, ra điện áp ngược trên diode (b).
Biến áp 1 pha với thứ cấp ra điểm giữa tạo ra 2 điện áp xoay chiều u2a, u2b có biên độ bằng
nhau và ngược pha nhau đặt vào 2 diode, khiến chúng thay nhau làm việc trong cả chu kỳ. Như
vậy mỗi nửa thứ cấp biến áp cùng với 1 diode liên kết là một sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng.
Do đó đây là 2 sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng mắc nối tiếp làm việc lệch nhau 1800 (hình 3.5).
Giả sử khi t = 0 , u2a ở bán chu kỳ dương thì D1 thông, D2 khóa, có dòng i2a từ a D1 Rt 0.
Khi t = 2 , u2b là bán chu kỳ dương thì D2 thông , D1 khóa, có dòng i2b từ b D2 Rt 0.
Dòng qua tải trong 1 chu kỳ: i0 = i2a + i2b là 2 xung dòng một chiều, m = 2. Tần số gợn
sóng của điện áp trên tải fg = 2f =100 Hz. Điện áp trên tải: u0 i R0 t U0 u0 , u0 bao
n 24, ... gồm thành
phần một chiều U và vô số các thành phần xoay chiều từ bậc 0
2, 4... trở lên. Nếu bỏ qua tổn
hao trên biến áp và diode ta có: 2 T/2 U U sin t.dt 2M 09, U (3.14) 2U 2 0 2M T 0
Dòng một chiều qua tải: U 09, U I0 0 (3.15) 2 Rt Rt
Điện áp hiệu dụng trên tải: T/2 Ut T2 U2M sin t dt 2 U22M U2 (3.16) 0
Từ (3.7) và (3.9) ta tính được hệ số dạng sóng (FF) và hệ số gợn sóng (G) của sơ đồ chỉnh lưu 1 pha toàn sóng: Ut U2 111, d U0 09, U2
g d2 1 0482 , hoặc 48,2%. 30
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode là: 2U2M .
Các dạng sóng của điện áp vào, dòng chỉnh lưu và điện áp sau chỉnh lưu với tải thuần trở vẽ trên hình 3.5b.
b) Tải dung tính (hình 3.6a) 1
Khi có C // Rt và giá trị của C sao cho Xc
Rt với sơ đồ hình 3.6a thì (m=2), ta m c
sẽ được bộ chỉnh lưu tải dung (hình 3.6a). Khi có C, các thành phần xoay chiều của điện áp sau
nắn i0~ sẽ được nối tắt qua tụ C, qua tải Rt là thành phần một chiều I0.
Khi tải dung tính thì các diode chỉ thông khi giá trị dương tức thời của điện áp thứ cấp
đặt vào anốt của chúng vượt giá trị u , mỗi diode chỉ thông trong thờ c i gian 2 < 1800, là góc
cắt của xung dòng, giá trị phụ thuộc tỷ số của tổng trở biến áp và diode với điện trở tải. a) b)
Hình 3.6: Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha toàn sóng thứ cấp biến áp có điểm
giữa với tải dung (a) và dạng sóng trên tải (b)
Dạng sóng điện áp trên tải và xung dòng chính lưu như hình 3.6 (b).
- Điện áp một chiều trên tải:
U0 U2M cos 2U cos2 (3.17)
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode:
UD ng max 2U2M 2 2U2 (3.18)
c ) Tải tính cảm (Hình 3.7a)
Khi ta mắc nối tiếp với tải một cuộn chặn L , cuộn chặn có trị số điện cảm ch
Lch sao cho XLch m L ch
Rt và điện trở thuần cuộn chặn rLch
Rt , ta sẽ có bộ chỉnh lưu tải cảm, và khi có Lch
thì thường có tụ lọc C// R , để loại bỏ triệt để các thành phần xoay chiều của điện áp gợn sóng. t 31
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
Với chỉnh lưu có cuộn chặn Lch, các thành phần xoay chiều của dòng chính lưu sẽ bị tổn hao
hết trên L , trên tải ch
Rt chỉ có thành phần một chiều I0, U0 như hình 3.7b.
Bỏ qua tổn hao trên biến áp và diode, ta được điện áp một chiều trên tải theo công thức: 2
Điện áp một chiều trên tải: U0 U2M 09, U2 U0 09, U2
Dòng một chiều trên tải: I0 (3.19) Rt Rt
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode: UD ng î c max 2U2M 2 2U2 a) b) t
Hình 3.7: Chỉnh lưu 1 pha toàn sóng tải cảm (a) và dạng sóng
điện áp đầu vào, đầu ra của bộ chỉnh lưu và trên tải (b).
So với sơ đồ chỉnh lưu 1 pha không điều khiển nửa sóng dùng biến áp thì sơ đồ chỉnh lưu
1 pha toàn sóng thứ cấp biến áp có điểm giữa có những ưu điểm:
Trong biến áp không có thành phần một chiều nên lõi biến áp không bị bão hòa do
dòng một chiều gây nên.
Biến áp làm việc 2 lần trong 1 chu kỳ, nên hiệu suất sử dụng biến áp cao.
Tần số gợn sóng fg = 2f = 100Hz (điện áp gợn sóng chỉ chứa các hài chẵn) nên lọc
san bằng dễ hơn, với cùng yêu cầu hệ số gợn sóng (g) trên tải như nhau thì chỉnh
lưu 1 pha toàn sóng có trị số các linh kiện lọc chỉ bằng một nửa của chỉnh lưu 1 pha nửa sóng.
Với tải trở và cảm, điện áp một chiều ra lớn và dòng trung bình qua diode nhỏ. I0 Itbv 32
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện 2
Nhược điểm là: Điện áp ngược đặt lên van lớn và phải có biến áp nguồn.
2) Chỉnh lưu cầu 1 pha (hình 3.8)
Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha gồm: nguồn xoay chiều đầu vào (có thể dùng biến áp 1 pha
hoặc không), 4 diode nối theo sơ đồ cầu, và tải với 3 loại tải khác nhau. a i
Hình 3.8: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha với các tải khác nhau
Khi nửa chu kỳ dương của u , ứng với a(+), b( 2
-), D1, D3 thông, có dòng i2a từ a D1 tải D , ứng với b(+), a( 3
b. Nửa chu kỳ âm của u2
-), D2, D4 thông, có dòng i2b từ b D2 tải D4 a.
Trong 1 chu kỳ của điện áp u , dòng tải , số xung dòng qua tải 2
i0 = i2a+ i2b m = 2; fg = 2f.
Các dạng sóng của điện áp, dòng điện trên tải của sơ đồ cầu 1 pha giống như sơ đồ chỉnh
lưu 1 pha với thứ cấp biến áp có điểm giữa.
- Với tải trở và cảm:
Điện áp một chiều trên tải: U0 U2M 09, U2 (3.20) - Với tải dung: 2
Điện áp một chiều trên tải: U0 2U cos2 (3.21)
Điện áp một chiều trên tải: U0hm 2U2 (Rt = = 0)
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode:
UD ngmax U2M 2U2
3.2.2. Chỉnh lưu ba pha không điều khiển 33
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
Các sơ đồ chỉnh lưu 3 pha làm việc với mạng điện 3 pha. Đây là các bộ chỉnh lưu công
suất lớn, thường có công suất lớn hơn 15 kW.
3.2.2.1. Bộ chỉnh lưu 3 pha nửa sóng
Sơ đồ chỉnh lưu kiểu này cũng có thể dùng biến áp hoặc không, tùy theo các yêu cầu của tải.
Nếu không dùng biến áp, thì sơ đồ làm việc trực tiếp với điện áp mạng 3 pha có dây trung tính.
Nếu sơ đồ cần có biến áp cách ly, thì các cuộn sơ cấp của biến áp 3 pha có thể nối theo
hình sao hoặc tam giác, tùy theo điện áp mạng và điện áp danh định của cuộn sơ cấp. Còn 3
cuộn thứ cấp phải nối theo hình sao có dây trung tính (hình 3.9a).
Điện áp các pha lệch nhau 1 góc 2 /3. Như vậy sẽ suất hiện những khoảng thời gian điện
áp 2 pha kế cận có cùng giá trị (tại t = /6, 5 /6, 3 /2...), do đó 1 diode bất kỳ của pha nào
muốn thông thì điện áp dương đặt vào anốt của diode pha đó phải vượt điện áp các pha khác.
Vậy tại mỗi khoảng thời gian chỉ có một diode thông. Mỗi diode thông liên tục trong thời gian 2 /3.
Trên hình 3.9b vẽ dạng sóng điện áp nguồn u2a, u2b, u2c, điện áp sau nắn, thời gian dẫn
của các diode và điện áp ngược đặt lên các diode với tải thuần trở.
Một chu kỳ điện áp mạng, sơ đồ làm việc 3 lần với tải, có 3 xung dòng qua tải, m = 3, tần
số gợn sóng của điện áp sau nắn fg = 3f. 34
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
* Với tải trở và tải cảm và bỏ qua tổn hao trên biến áp, diode: m /m m sin
- Điện áp một chiều trên tải: U0 U2M cos t.d
t U2M m Với m = 3:
U0 3 3U2M 117, U2 (3.22) 2
- Điện áp hiệu dụng đặt trên tải là: /m
Ut m U22mcos2 t.d t U2M 2m
m 12sin2m 0 Với m = 3, ta có: Ut U2M - Hệ số dạng sóng: 35
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện U 23 3 2 1sin23
084,U2M 119, U2 (3.23)
d t 102, hay 102% U0 - Hệ số gợn sóng:
g d2 1 102 1 02 20 , 2 , %
* Với tải dung tính, bỏ qua tổn hao trên biến áp diode:
- Điện áp một chiều trên tải: U0 U2M 2U2 (3.24)
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode là:
UD ng max 3U2M 6U2 21, U0 (3.25)
3.2.2.2. Bộ chỉnh lưu 3 pha cầu (3 pha toàn sóng)
Đây là kiểu chỉnh lưu rất phổ biến trong các bộ nguồn công suất lớn. Kiểu chỉnh lưu này
có thể vận hành với biến áp hoặc không, tùy theo yêu cầu của tải . Nếu vận hành với biến áp
thì các cuộn thứ cấp nối hình sao không dây trung tính như hình 3.10. Điện áp 3 pha đặt vào bộ
chỉnh lưu là điện áp dây:
uab 3u2a 3U2M sin t
ubc 3u2b 3U2M sin t 23
uca 3u2c 3U2M sin t 23
1) Với tải thuần trở 36 Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
Hình 3.10: Chỉnh lưu cầu 3 pha
Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha dùng 6 diode, được chia làm 2 nhóm; Nhóm I gồm D1, D3, D5
chỉ làm việc khi các đầu a, b, c dấu dương, còn các diode nhóm II (D ) làm việc khi 4, D6, D2
điện áp tại các đầu a, b, c dấu âm. Tại bất cứ thời điểm nào, dòng điện chỉnh lưu cũng thông
liên tiếp qua 2 diode thuộc 2 nhóm khác nhau. Thời gian làm việc của mỗi diode nhóm này sẽ
lần lượt làm việc với 2 diode của nhóm kia. Các dạng sóng và thời gian dẫn của các diode như trên hình 3.11.
Hình 3.11: Các dạng sóng và các thời gian dẫn của các diode
Vậy mỗi chu kỳ điện áp mạng có 6 xung dòng qua tải m = 6, tần số gợn sóng fg = 6f.
Mỗi diode thông liên tục trong thời gian 2 /3.
Bỏ qua tổn hao trên biến áp và diode, ta có điện áp một chiều trên tải: /6 6 3 3 37
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện U0 3U2M cos t.d
t U2M 234, U2 (3.26) 0
Từ (3.22) và (3.26) ta thấy sơ đồ 3 pha cầu là 2 sơ đồ 3 pha nửa sóng mắc nối tiếp và làm việc lệch nhau 1800.
- Trị số của điện áp hiệu dụng trên tải: U t 6 /6 3U
2cos2 t.d t 2M 0 (3.27) 3 9 3
U2M 16554, U2M 2 4
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode là:
UD ngmax 3U2M 6U2 245, U2 (3.28) 2) Với tải dung
Bỏ qua tổn hao trên biến áp và diode, ta có điện áp một chiều trên tải:
U0 3U2M 245, U2 (3.29) 3) Với tải cảm
Các giá trị điện áp giống như tải điện trở.
Dòng trung bình qua mỗi diode với các loại tải: I0 U0 Itbv (3.30) 3 3Rt
+ Sơ đồ này có ưu điểm:
- Nếu dùng với biến áp vào, thì trong các cuộn dây biến áp không có dòng một
chiều,nên lõi sắt không có tổn hao một chiều, hiệu suất biến áp cao.
- Điện áp một chiều cao.
- Tần số gợn sóng lớn, hệ số gợn sóng rất nhỏ nên dễ lọc san bằng. 38
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
- Dòng trung bình qua diode nhỏ.
Nên các bộ chỉnh lưu 3 pha đều dùng sơ đồ cầu.
3.2.3. Chỉnh lưu một pha có điều khiển
Các bộ chỉnh lưu có điều khiển là các bộ chỉnh lưu có van nắn là thyristor. Do thyristor
muốn thông phải có tín hiệu kích khởi (mở cổng), vì vậy ta có thể điều chỉnh độ dịch pha giữa
tín hiệu kích khởi với điện áp mạng, nhờ đó mà điện áp một chiều đầu ra bộ chỉnh lưu điều chỉnh được.
3.4.1. Bộ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng có điều khiển với tải thuần trở
Chúng ta hãy xem xét sơ đồ hình 3.12(a):
Sơ đồ có thể dùng biến áp hoặc không, 1 thyristor với tải bộ chỉnh lưu là thuần trở. Khối
điều khiển tạo ra chuỗi xung kích khởi thyristor, mà góc lệch pha giữa xung kích khởi UĐK với
điện áp vào U2 có thể điều chỉnh được.
Khi t = 0 là nửa chu kỳ dương của U2, a (+), b (-), T1 được phân cực thuận, nhưng
T1 chưa thông ngay tại t = 0 vì chưa có xung điều khiển, mà T1 thông tại t = . T1 thông từ
. Trong thời gian này có dòng iT tắt vì 1 qua tải, đến t = , T1
U2 đổi cực, bắt đầu sang bán chu kỳ âm, và iT
) và điện áp đặt trên thyristor như sơ đồ
1= 0 các dạng sóng của U2, UĐK, u0, iT1(i0
hình 3.12(b), thời gian từ khi bắt đầu bán chu kỳ dương cho đến khi thyristor được kích khởi
tại t = , được gọi là thời gian trễ; và được gọi là góc trễ hay góc dịch pha, hay góc kích
khởi. Sơ đồ hình 3.12 có điện áp ra và dòng tải là ngắt quãng, 1 chu kỳ có 1 xung dòng qua tải
nên m = 1 và tần số gợn sóng fg = f.
- Bỏ qua tổn hao trên các linh kiện, ta có điện áp một chiều U0 trên tải: m U2M 1 cos (3.31) U0 2 U2M sin t.d t 2 U2M đến
Nếu điều chỉnh cho biến đổi từ 0 , ta có: U0 biến đổi từ U0 max U0 min 0.
- Giá trị điện áp hiệu dụng trên tải: 39
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện uT Ut a i 0 1
T 1 Kh ố i đ i ề u U u Rt 1 U 2
khi ể n 0 b a) 21 U 2
2 M sin2 t.d t (3.32) U2M 1 sin2 = 2 Hình 3.12:
a) Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng có điều
khiển với tải trở. b) Các dạng sóng của sơ đồ.
Sơ đồ chỉnh lưu này có hiệu suất thấp, có hệ số gợn sóng cao, tần số gợn sóng thấp, nên
trong các bộ nguồn viễn thông không dùng kiểu chỉnh lưu này.
3.4.2. Chỉnh lưu một pha toàn sóng có điều khiển
Nếu là chỉnh lưu 1 pha có điều khiển thì trong thực tế thường dùng sơ đồ một pha toàn
sóng có điều khiển như 2 sơ đồ hình 3.13(a) hoặc (b).
Hai sơ đồ chỉnh lưu 1 pha toàn sóng có điều khiển trên hình 3.13 có nguyên lý hoạt động
như nhau. Khối điều khiển tạo ra các xung điều khiển để mở các thyristor T . Góc dịch pha 1, T2
giữa xung điều khiển với điện áp dương của u2 trên anốt mỗi thyristor có thể điều chỉnh được
nhờ bộ quay pha trong khối điều khiển. Độ gợn sóng của điện áp ra của sơ đồ chỉnh lưu có điều
khiển là lớn nên nhất thiết phải sử dụng mắt lọc đầu tiên là LC. Diode bù D mắc trước cuộn 40
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
chặn theo hướng ngược, có tác dụng duy trì dòng điện chạy qua tải là liên tục ngay cả trong
những khoảng thời gian không có thyristor nào thông.
Cuộn chặn L có giá trị điện cảm ch
Lch sao cho XLch 2 Lch
Rt , và điện trở thuần tổn hao
của cuộn chặn rLch Rt .
Hình 3.13: Các sơ đồ chỉnh lưu
1 pha toàn sóng có điều khiển.
a) Sơ đồ với thứ cấp biến áp có
điểm giữa. b) Sơ đồ cầu.
Với điều kiện của cuộn
chặn như vậy, cùng với diode bù D ta được dòng và áp trên tải là một chiều thuần túy.
Nguyên lý làm việc của sơ đồ chỉnh lưu được mô tả bằng các dạng sóng trên hình 3.14.
Khi bắt đầu bán chu kỳ dương của u , nhưng
2 đặt vào anốt của T1
T1 chưa thông ngay từ
t = 0, vì chưa có xung điều khiển, đến t , có xung điều khiển, T1 mới thông. Khi T1 thông
có dòng iT1 chạy qua Lch và tải, cuộn chặn Lch được tích lũy năng lượng dưới dạng từ, diode bù
D lúc này phân cực ngược, T1 thông từ t , khi t = ; T1 ngắt vì u2 = 0 và bắt đầu bán
chu kỳ âm của u2. Khi T1 tắt nhưng T2 chưa thông vì chưa có xung điều khiển, dòng iT1 qua Lch
mất đột ngột làm xuất hiện trên L một sức điện động tự cảm có dấu (+) bên phải ch Lch và dấu (-
) bên trái Lch khiến diode bù D được phân cực thuận nên thông, xuất hiện dòng iD do Lch phóng
qua tải, qua diode D, làm cho dòng I0 qua tải liên tục. Diode D sẽ thông cho đến t thì T , qua tải và
2 thông, lại có dòng iT2 qua Lch
Lch lại được tích năng lượng. T2 thông cho đến t = 41
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
2 , u2 = 0, kết thúc 1 chu kỳ của điện áp mạng, và khi T2 tắt thì D lại thông, xuất hiện dòng iD
qua tải, D thông cho đến khi T1 thông.
Hình 3.14: Các dạng sóng của sơ đồ
chỉnh lưu 1 pha toàn sóng có điều khiển.
Qua đồ thị dạng sóng trên hình 3.14 ta thấy dòng qua tải I0 iT1 iD iT2 là liên tục và bằng
phẳng, khiến điện áp một chiều trên tải là liên tục.
Bỏ qua tổn hao trên biến áp, diode và cuộn chặn Lch ta có điện áp một chiều ra trên tải: U0 2m U2M sin t.d
t U 2M 1 cos 09, U21 cos2 (3.33) 42
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
Khi ta điều chỉnh cho biến đổi từ 0 ta sẽ được điện áp một chiều trên tải biến đổi từ
U0 max 09, U2 đến U0 min 0. - Điện áp hiệu dụng trên tải: m 2 sin2 Ut 2
U2M t.d t (3.34) = U22M 1 sin22
3.2.4. Chỉnh lưu ba pha có điều khiển
3.4.3. Chỉnh lưu 3 pha nửa sóng có điều khiển
Các bộ chỉnh lưu 3 pha có điều khiển, cung cấp điện áp một chiều trên tải cao, giải điều
chỉnh của điện áp một chiều rộng, tần số gợn sóng của điện áp đầu ra lớn do đó độ gợn sóng
nhỏ so với các bộ chỉnh lưu có điều khiển 1 pha. Do đó các bộ chỉnh lưu 3 pha có điều khiển
thường được sử dụng nhiều trong các bộ nguồn công suất cao và giải điều chỉnh điện áp rộng.
Bộ chỉnh lưu 3 pha nửa sóng có thể dùng biến áp hoặc không, nếu dùng biến áp thì các
cuộn thứ cấp phải nối hình sao có dây trung tính như hình 3.15.
Hình 3.15: Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha nửa sóng có điều khiển.
Bộ chỉnh lưu có điều khiển yêu cầu tải tính cảm cao nên cuộn chặn Lch có giá trị sao cho: XLch 3 Lch
Rt;với diều kiện này thì dòng qua tải là liên tục và bằng phẳng. Với sơ đồ này thì
mỗi thời điểm chỉ có 1 thyristor thông. Khi thyristor nào thông là điện áp dương đặt lên anốt
của nó vượt điện áp dương của pha kế cận và được kích khởi, nói cách khác thyristor nào thông
thì nó được phân cực thuận và được kích khởi. Như vậy T1 không thông tại /6 mà thông tại
/6 + . Khi đó có dòng ia qua tải. T1 thông đến khi T2 được kích khởi tại 5 /6 + thì T1 tắt vì 43
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
lúc này điện áp dây uab (= ua0 -
ub0) là âm, T1 phân cực ngược.
T2 thông có dòng ib qua tải. T2
thông cho dến khi T3 được kích
khởi tại t = 3 /2 + thì T2 tắt
vì lúc này ubc (= ub - uc) là âm,
T2 phân cực ngược. T3 thông, có
dòng ic qua tải. T3 thông cho
đến khi T1 được kích khởi trở lại
và bắt đầu 1 chu kỳ tiếp.
Hình 3.16: Các dạng sóng của
điện áp vào, điện áp sau nắn
và dòng tải của bộ chỉnh lưu 3
pha nửa sóng có điều khiển với tải cảm.
Hình 3.16 mô tả dạng sóng điện áp vào, điện áp sau nắn, dòng qua các thyristor, dòng tải
và thời gian dẫn của mỗi thyristor.
Ta thấy dòng tải i0 ia ib ic là liên tục và bằng phẳng vì tải cảm. Tần số gợn sóng của
điện áp sau nắn u0 là fg =3f.
Điện áp một chiều trên tải được tính theo công thức: 5 3 6 3 3 U0 2 U sin t.dM t 2 U cosM (3.35) 6 44
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
với biến đổi từ 0 900.
Điện áp hiệu dụng trên tải tính theo công thức: 5 Ut 3 6
U sinM22 t.d t 2 6 (3.36) 1 3 = 3UM cos2 6 8
Bộ chỉnh lưu 3 pha nửa sóng có điều khiển có nhược điểm là trong cuộn thứ cấp biến áp
có thành phần một chiều nên thường ít được sử dụng trong thực tế.
3.4.4. Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển
Bộ chỉnh lưu kiểu này thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp có yêu cầu
công suất cao tới 120 kW. Bộ chỉnh lưu kiểu này cho hệ số công suất cao, góc trễ điều chỉnh
được trong phạm vi rộng từ 0 , do đó điện áp một chiều trên tải điều khiển được trong phạm
vi rộng, ngoài ra độ gợn sóng của điện áp trên tải là không đáng kể.
Sơ đồ bộ chỉnh lưu với tải tính cảm như hình 3.17.
Hình 3.17: Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha cầu bán điều khiển.
Sơ đồ dùng 3 thyristor T1, T2, T3 cùng với 3 diode D2, D3, D1 làm thành bộ chỉnh lưu cầu
3 pha có điều khiển. Diode bù D để đảm bảo dòng qua tải liên tục khi không có thyristor nào thông.
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ được mô tả theo đồ thị dạng sóng trên hình 3.17 với góc
= 900. Trong thời gian /6 t < 7 /6, T1 phân cực thuận vì uac bán chu kỳ dương (uac = ua0 -
uc0) và T1 được kích khởi tại t = /6 + ,thì T1 và D1 dẫn, có dòng iT1 từ a T1 tải 45
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện D
bắt đầu bán chu kỳ âm, về 1
C. Lúc này D phân cực ngược. Đến t = 7 /6, uac T1 tắt, iT1
không và D bắt đầu dẫn, dòng iD chảy từ phải Lch tải D trái Lch.
Đến t = 5 /6 + , T2 được kích khởi và uba = ub -ua đang ở bán chu kỳ dương nên T2 và D chảy từ
2 thông, có dòng iT2
b T2 tải D2 a, diode bù D lại tắt, T2, D2 thông cho đến t =
11 /6 thì tắt vì điện áp dây uba bắt đầu về bán chu kỳ âm, lúc này D lại thông và có dòng iD qua
tải. D thông cho đến t = 9 /6 + , thì T
ở bán chu kỳ dương nên
3 được kích khởi và ucb = uc - ub cả T chảy từ chảy thì
3 và D3 thông, có dòng iT3
C T3 tải D3 b, thời gian iT3
D lại tắt. T3, D3 thông cho đến 15 được kích khởi
/6 thì tắt.Vì ucb trở về chu kỳ âm và D lại dẫn cho đến khi T1 ở chu kỳ kế tiếp. 46
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
Vậy trong 1 chu kỳ: i0 iT1 iT2 iT3 iD .
Và trị số I0 IT1 IT2 IT3 ID .
Nếu không có diode bù D thì T1, D1 sẽ phải thông liên tục cho đến khi T2 được kích khởi
tại t = 5 /6 + và tác dụng của diode bù D do T1 và D2 đảm nhiệm.
- Nếu /3 thì mỗi thyristor dẫn với độ lâu là 2 /3 và diode D không có tác dụng.
- Nếu điện áp các pha là: 47
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
ua0 U sin tM ub0 U sinM
t 2 3/ uc0 U sinM t 2
3/ Thì các điện áp dây tương ứng sẽ là:
uac ua0 uc0 3U sinM
t /6 uba
ub0 ua0 3U sinM
t 5 6/ ucb
uc0 ub0 3U sinM t /2
Trong đó UM là điện áp đỉnh của điện áp pha nối theo hình sao.
Ta xét các trường hợp đối với các trị số khác nhau của góc .
+ Khi góc /3 thì điện áp ra sau nắn (u ) là không liên tục (như hình 3.18), và điện 0
áp một chiều U0 trên tải được tính theo công thức sau: 7 7 3 6 3 6 U0 2 6 u dac t 2 3U SinM t 6 d t 6 (3.37) 3 3 = 2 M U
1 cos - Điện áp một chiều ra trên tải lớn nhất khi = 0, ta có: (3.38) 3 3
U0max UM
- Điện áp hiệu dụng trên tải tính theo công thức: Ut 3 7 6 2 2 t 6 d t 3U SinM 2 6 (3.39) 3 1 48
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện = 3UM sin2 4 2
+ Khi /3 thì điện áp ra sau nắn (u ) là liên tục. 0
- Điện áp một chiều trên tải U0: 3 5 6 3 3 U0 2 u dac t 2 UM 1 (3.40) 6
- Điện áp hiệu dụng trên tải: Ut 3 5 6 2 2 t 6 d t 2 3U SinM 6 (3.41) 3 1 = 3UM sin2 4 2
- Tần số gợn sóng của điện áp sau nắn fg = 3f.
3.4.5. Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần
Sơ đồ kiểu chỉnh lưu này trên hình 3.19.
Nguyên lý hoạt động được mô tả trên biểu đồ dạng sóng trên hình 3.20.
Các Thyristor được kích khởi để thông cách nhau /3 và mỗi thyristor thông liên tục
trong thời gian 2 /3 theo thứ tự sau: 49
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
T1, T6 thông từ 6 đến 2
, có dòng iT16, qua tải.
T1, T2 thông từ 2 đến 5 6
, có dòng iT12, qua tải.
T2, T3 thông từ 5 2 đến 7 6
, có dòng iT23, qua tải.
T3, T4 thông từ 7 2 đến 11 6
, có dòng iT34, qua tải.
T4, T5 thông từ 11 2 đến 13 6
, có dòng iT45, qua tải.
T5, T6 thông từ 13 6
, có dòng iT56, qua tải.
Vậy 1 chu kỳ có 6 dòng liên tục qua tải, m = 6, tần số gợn sóng fg = 6f.
Nếu điện áp các pha là:
ua0 U sin tM ub0 U sinM
t 2 3/ uc0 U sinM t 2 3/
Thì các điện áp dây tương ứng sẽ là:
uab ua0 ub0 3U sinM
t /6 ubc
ub0 uc0 3U sinM
t /2 uca
uc0 ua0 3U sinM t /2 50
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
Hình 3.20: Các dạng sóng: điện áp vào, điện áp sau nắn, dòng tải và thời gian
dẫn của các thyristor của sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần
Điện áp một chiều trên tải: 3 2 3 2 U0 6 u dab t 3U SinM t 6 d t 6 (3.42) 3 3 =U cosM
Khi biến đổi từ 0 900 ta có U0 biến đổi từ 3 3UM đến 0. 51
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
- Điện áp hiệu dụng trên tải: Ut 3 2 U Sin2 2 t 6 d t 3 M 6 (3.43) 1 3 3 = 6UM cos2 4 8
Sơ đồ này có điện áp U0 cao, có tần số gợn sóng lớn fg 6f nên độ gợn sóng của điện
áp sau nắn là rất nhỏ và lọc san bằng đơn giản. Vì vậy sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển
toàn phần được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp có yêu cầu công suất lớn.
3.3. CHỈNH LƯU BỘI ÁP
Còn gọi là chỉnh lưu nhân áp. Khi muốn có điện áp một chiều cao hơn điện áp xoay chiều
đầu vào bộ chỉnh lưu, thì ta dùng chỉnh lưu bội áp.
3.4.1. Chỉnh lưu bội áp nửa sóng Sơ đồ a làm việc với
thông, C1 được nạp đến giá trị lớn nhất của điện áp U2: UC M1 U2M 2U2.
Nửa chu kỳ âm của U2, a (-); b (+), D2 thông, C2 được nạp, điện áp được nạp cho C2 là: Giả sử + nửa chu kỳ dương của có
Hình 3.21: Sơ đồ chỉnh lưu bội áp nửa sóng điện áp U2 ta a (+); b(-); D1 điện áp 1 pha, có thể D dùng với 2 biến áp hoặc U C U Rt không dùng 1 D 2 U 1 2 + 0 biến áp tùy yêu cầu của C b 1 tải.
UC M2 U2M UC1 2U2M 2 2U2 (3.44)
Điện áp một chiều lớn nhất trên tải: U0M UC M Kể 2
đến tổn hao của biến áp và 2 diode thì: 52
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện U0 2 2U cos2 (3.45)
Vì trong 1 chu kỳ chỉ có một xung dòng qua tải, nên m = 1; tần số gợn sóng fg = f. 1
Các trị số của C1, C2 sao cho: ZC12, C12, Rt .
Để có được điện áp một chiều nắn ra trên tải gấp n lần U của sơ đồ hình 3.21 mà không 0
cần tăng tương ứng U , ta sử dụng cách ghép 2
n tầng như sơ đồ hình 3.22.
U0 n tÇng n.U1 tÇng
Hình 3.22: Sơ đồ bội áp 1 pha nửa sóng ghép n tầng
3.4.2. Sơ đồ chỉnh lưu bội áp một pha toàn sóng
Sơ đồ chỉnh lưu bội áp một pha toàn sóng, có thể xem như 2 sơ đồ chỉnh lưu bội áp 1 pha
nửa sóng nối tiếp với độ dịch pha là 1800. (Hình 3.23). 1
Với sơ đồ này, yêu cầu trị số C1, C2 sao cho: ZC12, C12, Rt thì đây là sơ đồ bội áp với tải dung. a D D 2 1 U +
Hình 3.23: Sơ đồ chỉnh lưu bội áp 1 U 2 một pha toàn sóng C + 1 C b 2 U 0 Rt 53
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
Giả sử nửa chu kỳ đầu của U thông, tụ
2, a (+), b (-), D1
C1 được nạp với UC1 2U cos2 .
Nửa chu kỳ sau U2 đổi dấu, b (+), a (-), D2 thông và C2 được nạp với UC2 2U cos2 .
- Điện áp một chiều U0 trên tải:
U0 UC1 UC2 2 2U cos2 (3.46)
Khi bỏ qua tổn hao trên các linh kiện trong mạch, ta có:
U0M 2 2U2
Sơ đồ chỉnh lưu này, 1 chu kỳ làm việc 2 lần với tải (1 lần với C ) nên số
1, 1 lần với C2
xung dòng chính lưu m = 2 fg = 2f.
Nếu ta muốn điện áp U0 trên tải gấp n lần điện áp một chiều của sơ đồ trên, ta sử dụng sơ
đồ bội áp 1 pha toàn sóng ghép n tầng như sơ đồ hình 3.24.
Hình 3.24: Sơ đồ bội áp 1 pha toàn sóng ghép n tầng
Với sơ đồ này ta có U0 n tÇng nU0 1 tÇng. Tuy nhiên với các sơ đồ chỉnh lưu bội áp, khi số
tầng n càng tăng thì hiệu suất của bộ chỉnh lưu càng giảm vì tổn hao trên các linh kiện nắn của
n tầng càng tăng, vì vậy các sơ đồ chỉnh lưu bội áp chỉ dùng khi muốn có điện áp một chiều lớn
hơn, còn dòng tải nhỏ, công suất một chiều trên tải thấp.
3.4. GHÉP NỐI TIẾP VÀ SONG SONG CÁC BỘ CHỈNH LƯU
3.4.1. Bộ chỉnh lưu cầu 2 pha nối tiếp 54
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
Một trong các kiểu chỉnh lưu công suất lớn, làm việc với điện áp 3 pha là dùng 2 biến thế
nguồn để biến đổi 3 pha thành 2 pha. Như sơ đồ hình 3.25. A U 11 B C U 12 U 22 b) U 21
Hình 3.25: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 2 pha nối tiếp (a) và
các véc tơ điện áp các cuộn sơ cấp và thư cấp (b).
Hai cuộn sơ cấp của 2 biến áp Tr1 và Tr2 nối với nguồn 3 pha 3 dây. Các véc tơ điện áp
dây 3 pha là các cạnh của một tam giác đều, điện áp đặt vào cuộn sơ cấp của Tr2 là điện áp dây U
. Điện áp đặt vào cuộn sơ cấp của
BC, U12 = Ud = UBC
Tr1, U11 chính là chiều cao của tam giác
đều, U11 3Ud 3UBC . Như vậy U11 và U12 lệch nhau 900 và do đó điện áp 2 cuộn 2 2
thứ cấp cũng lệch nhau 900. Với kiểu nối mạch này đã biến 3 pha bên sơ cấp thành 2 pha phía
thứ cấp. Tỷ số vòng dây của Tr1 và Tr2 khác nhau để cho U21 = U22 và công suất cấp cho tải của
2 biến thế bằng nhau và bằng nửa công suất tổng.
Điện áp vào của mỗi cầu nắn là điện áp một pha, và đây là 2 sơ đồ cầu 1 pha mắc nối tiếp
và làm việc lệch nhau 900.
Bất cứ thời điểm nào dòng chỉnh lưu cũng thông qua 4 diode thuộc 2 cầu nắn và 2 cuộn thứ cấp.
Trong 1 chu kỳ có 4 xung dòng qua tải, m = 4 và fg = 4f.
Bỏ qua tổn hao trên biến áp và diode, ta có điện áp một chiều trên tải với tải trở và tải cảm: (3.47) U0
0 2U2M sin t.d t 252,U2
- Với tải điện dung: U0 2 2U2 (3.48) 55
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện I (3.49) m /4
- Dòng trung bình qua diode: Itbv 0 2
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode: UD ng max 2U2 (3.50)
U2 là điện áp hiệu dụng cuộn thứ cấp.
3.4.2. Bộ chỉnh lưu cầu 2 pha song song
Từ sơ đồ chỉnh lưu hình 3.25 ta có thể sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu 2 pha song song như hình 3.26. B
Do đặc điểm cách nối dây của 2 biến áp Tr1 và Tr2 giống sơ đồ hình 3.25 nên sơ đồ 3.26
xem như 2 sơ đồ cầu 1 pha nối song song, làm việc lệch nhau 900.
Vậy 1 chu kỳ có 4 xung dòng chính lưu qua tải m = 4 và fg = 4f.
- Điện áp một chiều trên tải với tải trở và tải cảm: 4 /4 (3.51) U0 0 U2M sin t.d t 126,U2
- Điện áp một chiều trên tải khi có tụ lọc C: U0 2U2 (3.52)
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode: 56
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện UD ng max 2U2 (3.53)
- Dòng trung bình qua diode: I Itbv 0 (3.54) 4 3.5. BỘ LỌC
3.5.1. Bộ lọc san bằng
Điện áp và dòng điện sau chỉnh lưu là các xung nên trong đó có chứa các thành phần một chiều thuần túy (U
) và vô số các thành phần xoay chiều (
). Tải của bộ chỉnh lưu 0, I0 u0~; i0~
chỉ yêu cầu thành phần một chiều, còn các thành phần xoay chiều gây nên độ gợn sóng của điện
áp trên tải, ta phải loại bỏ các thành phần này để đảm bảo một điện áp một chiều cấp cho tải
với độ gợn sóng càng nhỏ càng tốt, nhất là đối với tải là các thiết bị điện tử. Nhiệm vụ loại bỏ
các thành phần xoay chiều sau nắn để đảm bảo điện áp một chiều trên tải có độ sơ gợn sóng rất
nhỏ so với độ gợn sóng của điện áp sau nắn là lọc san bằng, các linh kiện được cấu thành để
làm nhiệm vụ lọc san bằng được gọi là bộ lọc một chiều hay bộ lọc san bằng. Vì vậy sau chỉnh
lưu nhất thiết phải có bộ lọc để làm giảm độ gợn sóng đến mức cần thiết mà tải yêu cầu.
Để đánh giá tác dụng lọc của một bộ lọc, ta coi bộ lọc như một mạng 4 đầu (hình 3.27)
mà lối vào của bộ lọc có thành phần một chiều U0v và thành phần xoay chiều U0 v với hệ số U0 v gợn
sóng đầu vào là gv . U0v Bộ lọc san Bộ lọc
U0 vgr U0 r Hình 3.27: gv bằng U0vU0r san bằng
Tại đầu ra của bộ lọc ta nhận được điện áp một chiều U0r và điện áp xoay chiều U0 r , U0 r với
hệ số gợn sóng đầu ra: gr . U0r
Hệ số lọc (hay hệ số san bằng) của bộ lọc là:
gv U0 v .U0r (3.55) q gr U0v U0 r
Nếu coi bộ lọc là lý tưởng (không tổn hao thành phần một chiều) thì U , do đó: 0v = U0r 57
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện U0 v q q > 1. U0 r
Hệ số lọc nói lên chất lượng của bộ lọc đã làm giảm độ gợn sóng tại đầu ra bao nhiêu lần
so với độ gợn sóng đầu vào.
3.5.2. Các loại bộ lọc san bằng
1) Bộ lọc LC Lch C U 0 ~r U Rt U , u 0 ~ 0 0
Hình 3.28: Bộ lọc LC
Bộ lọc LC là bộ lọc được dùng thông dụng nhất trong các bộ chỉnh lưu công suất vừa và
lớn, nhất là trong các bộ nguồn cung cấp cho các thiết bị viễn thông. Để lọc tốt các thành phần
xoay chiều của điện áp gợn sóng thì cuộn chặn phải có Lch sao cho:
XLch = m Lch >> Rt rLch << Rt 1
Và giá trị của C sao cho XC Rt m C
Trong đó m là số xung dòng chính lưu trong 1 chu kỳ, m phụ thuộc sơ đồ chỉnh lưu .
: tần số góc của điện mạng. L : điện ch
cảm của cuộn chặn r : điện trở thuần dây cuốn cuộn Lch
chặn - Tính toán các trị số của bộ lọc: * Tính trị số C:
Theo yêu cầu của tải, được cung cấp điện áp một chiều U0 với hệ số gợn sóng là g. g Vậy: Rt m C
Với sơ đồ chỉnh lưu được sử dụng (biết m) g Ta có: C m R t 58
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện Với f = 50Hz và C = [ F] Thì C 3200 F (3.56) mRt
- Điện áp xoay chiều đầu ra của bộ lọc LC 1 1 U U . . g 0~r 0~v 1 ( jm C ) jm L ch ( jm C )
Hệ số lọc q của bộ lọc LC
Uo v~ (m L ch 1 )m C (3.57) q U0~r m C q = m2 2LchC –1 Vì
m2 2LchC >> 1 nên bỏ qua 1, ta có: q = m2 2LchC q (3.58) * Tính Lch: q
Lch m2 2C (H)
- Hiệu suất của bộ lọc LC Rt 1
L rLch Rt 1 rLch (3.59) Rt 59
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện Thường thì rL R ch
t nên hiệu suất của bộ lọc LC cao và q tỷ lệ với m2 2 nên hiệu quả lọc rất cao.
Những cuộn chặn ở tần số điện lưới có thể tích, trọng lượng lớn và giá thành đắt.
2) Bộ lọc hình
Để giảm nhỏ mức độ gợn sóng của điện áp tại đầu vào của các bộ lọc LC và RC, người
ta nối thêm một tụ điện lọc C1 ở trước bộ lọc như hình 3.39 a,b. Lc R h C C Rt C 1 2 1 Rt C 2 (a) (b)
Hình 3.39: Các bộ lọc LC, RC, hình
Khi bộ lọc hình được dùng làm mắt lọc đầu tiên thì tải của bộ chỉnh lưu sẽ mang tính
dung. Trong nhiều thiết bị, để giảm nhỏ kích thước của bộ lọc, người ta dùng một tụ kép thay
cho 2 tụ riêng lẻ C1, C2.
3) Bộ lọc nhiều mắt
Bộ lọc nhiều mắt được sử dụng khi yêu cầu có hệ số lọc lớn và khi bộ chỉnh lưu phải
cung cấp cho nhiều tải với các mức điện áp và độ gợn sóng khác nhau. U U Lch U R 02 U 03 01 n 0 2 R 3 Rn ...................... gV C C C grn 1 Cn 2 3 q q qn q 1 2 3
Hình 3.40: Bộ lọc nhiều mắt
Bộ lọc nhiều mắt có cấu tạo gồm mắt lọc đầu tiên là LC mắc nối tiếp nhau với các mắt
lọc RC. Với bộ lọc nhiều mắt thì hệ số gợn sóng đầu ra của mắt lọc trước là hệ số gợn sóng
đầu vào của mắt lọc kế tiếp, khi đó hệ số lọc của cả bộ lọc là:
gv1 q q1. 2 .....qn (3.60) q 60
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện grn Trong đó: q
... là hệ số lọc của từng mắt lọc riêng rẽ, khi 1, q2
q1 = q2 = ... qn = q, ta có: q = qn
Về các mức điện áp một chiều, ta có:
U01 > U02 > U03 > ... > U0n
Bộ lọc nhiều mắt được dùng trong các thiết bị điện tử có nhiều tầng khuếch đại. CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha tải trở, bỏ qua tổn hao biến áp và điốt, U0 = 15V. Hãy tính
điện áp thứ cấp hiệu dụng, cực đại? Biết điện áp đặt vào cuộn sơ U1 = 220V và W2 = 60.
Hãy tính M trong lõi thép của biến áp, biết diện tích mạch từ S = 10cm2.
Tính dòng cực đại qua mỗi điốt, biết Rt = 300 . Tính Udngmax? 2.
Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng tải dung, bỏ qua tổn hao biến áp và điốt, U2 =
40V, Rt = 10 . Tính U0, Udngmax, Itbv. 3.
Tính hiệu suất chỉnh lưu của sơ đồ cầu 1 pha tải trở và sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa
sóng tải trở (bỏ qua tổn hao trên biến áp, điốt). 4.
Cho sơ đồ chỉnh lưu như hình 3.41, tải thuần trở, biết U2a = U2b = 40V; Rt = 9 .
Vẽ dạng sóng, dòng điện, điện áp trên tải? Tính U
. Bỏ qua tổn hao trên biến áp và điốt.
0, I0, Itbv, fg, UDngmax Hình 3.41
5. Cho sơ đồ chỉnh lưu như hình 3.42. Hai biến áp có sơ cấp làm việc với điện áp 3 pha.
Hai cuộn thứ cấp có U21 = U22 và lệch nhau 90o. 61
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 3. Chỉnh lưu và lọc điện
Vẽ dạng sóng U0 và khoảng thời gian dẫn của các điốt. Tính fg. Tính U biết 0, I0, Itbv
U21 = U22 = 60V, Rt = 6 .
6. Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha nửa sóng có điều khiển, biết điện áp pha Up = 100V, tải trở.
Vẽ dạng sóng điện áp trên tải với góc mở .
Xác định U0 trên tải ứng với = 0o, 30o, 90o, biết điện áp rơi trên Thyristor là 1,5V 7.
- Vẽ dạng sóng điện áp trên tải và khoảng thời gian làm dẫn của các điốt của sơ
đồ chỉnh lưu 3 pha tải trở.
- Tính U0, I0, Itbv biết Up = 220V, Rt = 10 . Bỏ qua tổn hao trên nguồn, điốt. 8.
Tính điện áp một chiều trên tải, điện áp ngược lớn nhất trên điốt của bộ chỉnh
lưu cầu 3 pha với tải cảm và tải dung, biết Up = 220V. 9.
- Tính điện áp một chiều trên tải của sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển ứng với ; ; biết Up = 220V. 6 4 2 - Tính UDngmax?
10. Tính Lch và C của bộ lọc LC trong bộ chỉnh lưu cầu 3 pha. Cho biết Rt = 1 , XLch = 100 , q = 200. 62
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
Bộ biến đổi áp một chiều (BBĐA1C) hay gọi đầy đủ là bộ biến đổi xung điện áp một
chiều, sử dụng các ngắt điện bán dẫn ở sơ đồ thích hợp để biến đổi áp nguồn một chiều thành
chuỗi các xung áp, nhờ đó sẽ thay đổi được trị trung bình áp ra V0 (Hình 4.1).
Bộ biến đổi áp một chiều loại FORWARD được phân loại theo số phần tư mặt phẳng tải
mà nó có thể hoạt động. Mặt phẳng tải, tương tự như mặt phẳng đặc tính cơ trong truyền động
điện, là tập hợp các điểm biểu diễn trị trung bình dòng, áp trên tải V ; gồm bốn phần tư như 0, I0
ở Hình 4.2. Hình 4.3 cho ta sơ đồ bộ biến đổi áp một chiều loại FORWARD.
Trên Hình 4.3 (a) ngắt điện bán dẫn một chiều S1, như ta đã biết chỉ có thể dẫn điện một
chiều từ đầu “+” của nguồn. Vì thế trị số tức thời áp, dòng ra vo, io và trị số trung bình của
chúng Vo, Io chỉ có thể dương, và bộ biến đổi như vậy chỉ làm việc được ở phần tư thứ nhất của mặt phẳng tải.
Xét chu kỳ tựa xác lập - khi các dạng sóng sẽ lập lại ở mỗi chu kỳ, trên Hình 4.5(a) trình
bày tín hiệu điều khiển ngắt điện S1. Tín hiệu cao (hay 1) tương ứng ngắt điện đóng, thấp (hay 0) là ngắt. 1 VT
giá trị này cực đại khi , lúc đó I (4.11) 2 8L
Nhận xét: nhấp nhô dòng không phụ thuộc trị trung bình dòng tải Io và điện trở tải R. Khi
E hay R tăng, Io giảm trong khi I không đổi. Vì Imin = Io – I, dòng điện sẽ gián đoạn.
Khi Io < I (hình 4.5(c)). Khi dòng gián đoạn, trong một chu kỳ có khoảng thời gian io 1
= 0, vo = E, trị trung bình áp ra Vo sẽ tăng bằng V0
[Vton (T tx ) ]E (4.12) T
với tx là khoảng thời gian có dòng.
Có thể tính được tx khi áp dụng các công thức từ (4.7) đến (4.10) cho chu kỳ giả định
bằng tx (Hình 4.6) và điều kiện Imin = 0. 63
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều Hình 4.6: Iox xV E IVt on (1 x ) x ton VRton 2LE R 2L tx VRton 2LV Và tx ton VRton 2LE VRton 2LV
Công thức này cũng cho ta điều kiện để bộ biến đổi có dòng gián đoạn: đó là chu kì T
tx với tx tính theo (4.13). Ví dụ 4.1: a)
Tính các thông số và vẽ dạng dòng áp trên tải của BBĐ áp làm việc1/4 mặt
phẳng tải.V = 100 [V], T = 100 [ s], ton = 30 [ s], R = 5 [ ], L = 0,01 [H], E = 20 [V].
Giả sử dòng liên tục = 30/100 = 0,3 ta suy ra: VT 100.100.10 6 I (1 ) .(1 0,3).0,3 0,105[A] 2L 2.0,01 Vo = 100 * (30/100) = 30 [V], Io = (30-20) / 5 = 2 [A], Imax = Io + I = 2,105 [A]
Imin = Io – I = 1,895 [A] > 0 nên giả thiết dòng liên tục là đúng. Kiểm tra lại: L 0,01
0,002 [s], nên từ (4.7) ta có: R 5
Imin = 1,8953546 [A], Imax = 2,1053454[A] => I = 0,1049954 [A] 64
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
Như vậy sai số giữa hai cách tính là không đáng kể
Kiểm tra các hằng số thời gian: T (= 100E–6 [s]) << τ (= 0,002 [s]) => phù hợp với giả thiết. b)
Giả sử E thay đổi, tính giá trị E để dòng trở nên gián đoạn.
Biết rằng I không thay đổi theo E, trường hợp giới hạn của dòng liên tục xảy ra khi Imin
= 0 và Io = I = 0,105 A (4.9) cho ta:
E = V - R.Io = 30 – 5.0,105 = 29,475 [V]
Kiểm tra lại, thế giá trị E này vào (4.13), ta có tx = 100 [ s] = T.
Vậy khi E > 29.475 [V] thì tx < 100 [ s] và dòng bắt đầu gián đoạn.
4.2.2. Bộ biến đổi làm việc hai phần tư mặt phẳng tải I và II
Trong Hình 4.3(b), hai ngắt điện bán dẫn một chiều làm việc ngược pha nhau: khi S1
đóng, S2 ngắt và ngược lại. Ký hiệu: S1 S 2
Như vậy, các ngắt điện S1, S2 và diode D1, D2 cho phép dòng tải io chảy theo hai chiều,
trong khi áp ra chỉ có thể dương: bộ biến đổi có thể làm việc ở phần tư thứ nhất và hai.
Việc đóng ngắt đảo pha hai ngắt điện mắc nối tiếp không dễ dàng trong thực tế khi ta để
ý thời gian turn on của ngắt điện bán dẫn bao giờ cũng bé hơn thời gian turn off. Khi đó có
thể xảy ra ngắn mạch nguồn tạm thời khi ngắt điện turn off chưa kịp OFF trong khi ngắt điện
turn on đã ON (sự trùng dẫn). Để tránh hiện tượng này ta cần thêm vào một khe thời gian đủ
lớn (phụ thuộc vào loại ngắt điện) cả hai ngắt điện đều khoá làm trung gian cho quá trình chuyển mạch.
Khảo sát bộ biến đổi như với sơ đồ làm việc một phần tư cho ra cùng kết quả, các công
thức từ (4.1) đến (4.11) đều có thể áp dụng. Nhưng các dòng điện đều có thể lớn hơn hoặc nhỏ
hơn 0, suy ra không có chế độ dòng gián đoạn.
Các dạng dòng áp được vẽ trên Hình 4.7: 65
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều Hình 4.7
Dạng dòng io hình (a) tương ứng với trường hợp trị trung bình dòng ra I0 >>0. diode D1
và ngắt điện không có dòng, thực tế mạch hoạt động như bộ biến đổi một phần tư.
Dạng dòng (b) xảy ra khi sức phản điện tải E xấp xỉ trị trung bình áp ra V , trị trung bình o
tiến về 0 và cả 4 linh kiện công suất đều tham gia dẫn điện trong từng giai đoạn như trên hình.
Dạng dòng (c) xảy ra khi trị trung bình dòng ra Io << 0. Chỉ có D1 và S2 làm việc E Vì I . Khi S2 đóng, dòng o V o 0 E Vo
io qua R, L, S2 về E có biên độ tăng R
dần. Cuộn dây được nạp năng lượng. Khi S2 ngắt, dòng qua L không thay đổi tức thời phóng
qua D1 về nguồn. Như vậy tải E dù có sức điện động bé hơn nguồn V nhưng vẫn có thể đưa
năng lượng về nguồn nhờ bộ biến đổi áp một chiều khi có trị số trung bình áp ra Vo thích hợp (Vo < E).
Ví dụ 4.2: Khảo sát BBĐ áp một chiều hình 4.3 (b) với nguồn V = 100 [V], sức điện
động tải E = 40 [V], R = 5 [ ], L = 1 [mH], T = 100 [ s]. Vẽ dạng dòng ra trong các trường
hợp độ rộng xung tương đối lần lượt là 0,5; 0,4; 0,3. a) = 0,5 VT 100.100.10 6 I 2L (1 ) 2.10 3 .(1 0,5).0,5 1,25[A]
Trung bình điện áp ra: Vo = 0,5.100 = 50 [V] => Io = (50 - 40)/5 = 2 [A]
Vậy Imin = 2 – 1,25 = 0,75 [A]; Imax = 2 + 1,25 = 3,25 [A], tương ứng với trường hợp dòng
điện dạng (a) của Hình 4.7. b) = 0.4 VT 100.100.10 6 I 2L (1 ) 2.10 3 .(1 0,4).0,4 1,2[A]
Trung bình điện áp ra: Vo = 0,4.100 = 40 [V] => Io = (40 – 40)/5 = 0 [A].
Vậy Imin = 0 – 1,2 = –1,2 [A]; Imax = 0 + 1,2 = 1,2 [A], tương ứng với trường hợp dòng
điện dạng (b) của Hình 4.7. c) = 0.3 VT 100.100.10 6 I 2L (1 ) 2.10 3 .(1 0,3).0,3 1,05[A] 66
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
Trung bình điện áp ra: Vo = 0,3.100 = 30 [V] => Io = (30 – 40)/5 = -2 [A].
Vậy Imin = – 2 – 1,05 = –3,05 [A]; Imax = – 2 + 1,05 = – 0,95 [A], tương ứng với trường
hợp dòng điện dạng (c) của Hình 4.7.
Bộ biến đổi tăng áp
BBĐ áp một chiều làm việc 1 phần tư chỉ có thể cung cấp áp đầu ra bé hơn áp nguồn nên
còn có tên gọi là BBĐ giảm áp
Xét BBĐ hai phần tư Hình 4.3b), khi làm việc ở phần tư thứ II, chỉ có S2 và D1 làm việc
(vẽ lại trên Hình 4.8). Năng lượng của suất điện động tải E được trả về nguồn (io < 0) nhưng ta
vẫn có trung bình áp ra Vo bé hơn áp nguồn V. Sơ đồ Hình 4.8 được gọi là BBĐ tăng áp, khi áp
của phía cung cấp (áp tải) Vo bé hơn áp nguồn V (phía nhận).
Hình 4.8: Bộ biến đổi tăng áp
Ở BBĐ tăng áp, ta định nghiã ton là thời gian dẫn điện của S2, công thức tính trị trung
bình Vo sẽ thay đổi, tương ứng với việc thay thế bằng (1- ) trong (4.8)
Ta có Vo = V.(1 – ) (4.8*) dòng qua tải Io = (V0 - E)/R < 0
tương ứng V0 < E
Lưu ý rằng (4.8*) chỉ đúng khi dòng tải io liên tục, nhờ vào khả năng tích trữ năng lượng
ở dạng dòng điện của tự cảm L. Không có sức điện động cảm ứng của L, dòng không thể chạy
từ tải E có điện áp bé về nguồn V lớn được.
BBĐ tăng áp là một sơ đồ trong nhóm BBĐ áp một chiều dạng FLYBACK, có khả năng
tăng giảm áp với tự cảm L được xem như là một thành phần của BBĐ.
4.2.3. Bộ biến đổi làm việc bốn phần tư mặt phẳng tải
Hình 4.3c) cho ta sơ đồ cầu của bộ biến đổi làm việc bốn phần tư mặt phẳng tải. Ta cũng
có thể sử dụng sơ đồ với hai nguồn như Hình 4.9. Trong sơ đồ cầu, các ngắt điện S1, S4 cung
cấp điện áp dương và các ngắt điện S2, S3 cung cấp điện áp âm cho tải. Các diode song song
ngược với ngắt điện đảm bảo dòng điện lưu thông hai chiều. Có thể lý luận tương tự để chứng 67
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
minh khả năng làm việc ở bốn phần tư mặt phẳng tải của sơ đồ sử dụng hai nguồn: S1 cung cấp
điện áp dương cho tải và điện áp âm bằng S2.
Hình 4.9: BBĐ làm việc bốn phần tư mặt phẳng tải (dạng sơ đồ 2 nguồn)
Các sơ đồ làm việc 4 phần tư mặt phẳng tải dùng để cung cấp cho tải
- Áp đảo chiều (làm việc ở phần tư I hay III) - Dòng và áp đảo chiều làm việc I,II
hay III, IV - Dòng và áp có dấu bất kỳ phụ thuộc yêu cầu.
tương ứng với nhiều cách điều khiển các ngắt điện bộ biến đổi. Có hai cách chính: - Điều khiển chung. - Điều khiển riêng.
*) Điều khiển chung
Có S1 S4 S
2 S3 . Khi đó dạng áp ra luôn có hai cực tính: vo dương khi S1 đóng
và âm khi S1 ngắt, dạng sóng như Hình 4.10a), nhưng áp ra là dạng có biên độ thay đổi trong
khoảng -V đến +V, làm cho nhấp nhô dòng điện tăng gấp đôi so với dạng xung một cực tính 0- V.
I Imax Imin VT (1 ) (4.14) 2 L
với = ton/T; ton là thời gian ON của S1, S4.
Phương án điều khiển chung cho phép thay đổi liên tục áp ra từ âm sang dương khi thay
đổi độ rộng xùn tương đối ton/T: 1 Vo T
V t. on V T ton V 2 1 (4.15) 68
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
Dòng tải có thể dương hay âm phụ thuộc vào tương quan giữa trung bình áp ra Vo và suất
điện động tải E ( theo nguyên lí xếp chồng) Io V 0 E R
*) Điều khiển riêng
Mỗi lúc chỉ đóng ngắt một trong hai nhóm S1, S4 cung cấp áp dương và S2, S3 cung cấp
áp âm cho tải, dạng sóng áp ra tải thuần trở được vẽ trên Hình 4.10b).
Phương án điều khiển riêng cung cấp xung một cực tính cho áp ra. Công thức tính toán
như trường hợp BBĐ một phần tư. Có thể thấy dễ dàng rằng BBĐ cung cấp áp đảo chiều, làm
việc ở phần tư I ay III phụ thuộc vào cặp ngắt điện làm việc và như vậy cách tính toán sẽ giống
như ở khảo sát BBĐ một phần tư
a) Dạng sóng áp ra điều khiển chung
b) Dạng sóng áp ra điều khiển riêng
Hình 4.10: Dạng sóng áp ra cho trường hợp điều khiển chung và riêng
Ưu điểm: nhấp nhô dòng, áp ra bé hơn, sơ đồ điều khiển đơn giản.
Nhược điểm: Ngoài việc dòng tải không thể đảo chiều, sơ đồ điều khiển cần có tín hiệu
chọn dấu cho điện áp ra (tương ứng với chọn nhóm ngắt điện làm việc). Điều này sẽ làm hệ
thống không làm việc được hay tác động chậm quanh điểm áp ra bằng không.
Trong thực tế có nhiều sơ đồ điều khiển khác nhau nằm giữa hai nguyên lý điều khiển
trên, dấu hiệu để phân nhóm là điều khiển riêng luôn yêu cầu tín hiệu chọn cực tính áp ra trong
khi điều khiển chung luôn luôn có thể thay đổi áp ra liên tục quanh giá trị 0 [V].
4.2.4. Bộ biến đổi làm việc tại hai phần tư I và IV
Khảo sát sơ đồ Hình 4.4 tải RLE: Các ngắt điện S1 và S4 cùng đóng và cùng khóa với độ
rộng xung tương đối = ton/T.
Khi để ý các ngắt điện bán dẫn chỉ dẫn điện 1 chiều, dòng qua tải chỉ có thể là chiều + quy ước: io >0
S1, S4 dẫn điện: Vo = V > 0 69
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
S1, S4 khóa: Năng lượng tích trữ trong L cho phép tải phóng điện về nguồn qua các diode
D2 và D3: áp ra vo = - V < 0.
Như vậy bộ biến đổi có dạng áp ra V, tuỳ thuộc vào tương quan thời gian giữa xung áp
dương và âm mà áp ra có thể dương hay âm (Hình 4.11).
Hình 4.11: Áp, dòng BBĐ hình 4.4 khi dòng gián đoạn
Tính toán mạch khi dòng tải liên tục:
Khi có tải thích ứng, dòng tải liên tục: io tăng trong khoảng ton và giảm (chưa bằng 0)
trong thời gian còn lại của chu kỳ. Vậy ta có dạng áp, dòng của BBĐ 4 phần tư và trung bình
áp ra được tính theo (4.1.15) và nhấp nhô dòng tính bằng (4.1.14). Trị trung bình dòng vẫn là
Io = (Vo - E)/R. Luôn nhớ là dòng ra io chỉ có thể dương, khi IO giảm, dòng có xu hướng tiến đến gián đoạn.
Khi dòng gián đoạn, các tính toán trở nên phức tạp hơn.
4.2.5. Sóng hài áp dòng trên tải RLE
Sóng hài điện áp
Có thể phân làm hai trường hợp: dòng liên tục và gián đoạn. Khi dòng liên tục, dạng áp
ra chỉ phụ thuộc độ rộng xung tương đối . Khi dòng gián đoạn, dạng áp ra còn phụ thuộc sức
phản điện E. Tuy nhiên chỉ cần khảo sát trường hợp dòng điện gián đoạn , trường hợp dòng
điện liên tục tương ứng với tx = T . Khai triển Fourier cho dạng áp ra vo Hình 4.5c): vo Vo
An sinn t Bn cosn t Vo vn n 1 n 1 2 2 Bn2 , n tg 1 BAnn , T Với v V n n sin
nt n , Vn An 70
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều V Hình 4.5c), với T = 2
o tính theo (4.12); An, Bn có thể tích phân theo dạng sóng vo 2
An T T v t( ).sin nt dt. 1 2 1 ton.2 /T 2 0 vo.sin nt d t. 0 V.sin nt d t.
tx .2 /T E.sin nt d t. , V E 1 cosn t on 1 cosn
t x n n 2 V E Bn
T T v t( ).cos nt dt. ... n 1 sin n t on n 1 sin n t x , Vậy: V E An 1 cosn t on 1 cosn t x n n V E (4.16a) Bn n 1 sinn t on n 1 sinn t x
Biên độ và độ lệch pha của sóng hài bậc n ở trường hợp dòng liên tục tx = T là: 2V tg 1 1 sincosn t n t onon
(4.16b) Vn 1 cosn t on , n n
4.2.6. Ghép song song các bộ biến đổi
Tương tự như ở bộ nguồn chỉnh lưu, sử dụng song song các bộ biến đổi có 2 tác dụng
- Tăng công suất đầu ra thay vì nối song song các ngắt điện để tăng công suất bộ biến đổi.
- Cải thiện chất lượng dòng, áp đầu ra và dòng nguồn cung cấp khi điều khiển lệch pha các BBĐ.
*) Tăng công suất đầu ra thay vì nối song song các ngắt điện để tăng công suất bộ biến đổi .
Khi công suất tải lớn vượt quá khả năng của các ngắt điện có sẵn, việc mắc song song
nhiều ngắt điện để đáp ứng công suất thiết kế tuy đơn giản nhưng có nhiều hạn chế: mạch phức 71
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
tạp, sản xuất đơn chiếc, hệ số an toàn khi tính chọn ngắt điện tăng,... Việc ghép song song nhiều
bộ biến đổi cung cấp cho một tải tuy phức tạp về nguyên lý nhưng sẽ có nhiều ưu điểm về kỹ
thuật như: module hoá thiết kế, sử dụng tối ưu linh kiện, cho phép ứng dụng nhiều thuật toán
điều khiển để tăng chất lượng đầu ra cũng như khả năng sử dụng nguồn,…
Hình 4.12a) cho ta sơ đồ hai BBĐ cung cấp cho một tải, hai BBĐ thường có thông số
hoạt động giống nhau: cùng V , khả năng tải dòng,... nhưng làm việc lệch pha ½ chu kỳ. Chúng o
được nối chung đầu vào và chung đầu ra qua các cuộn kháng có nhiệm vụ rơi phần áp chênh
lệnh xoay chiều. Mỗi BBĐ sẽ dẫn ½ dòng tải.
b) Cải thiện dòng nguồn bằng bộ lọc đầu
a) Hai BBĐ cung cấp cho một tải
vào và điều khiển lệch pha các bộ biến đổi
Hình 4.12: Ghép song song các bộ biến đổi
Áp trung bình trên tải: vo1 = vo2 .( t - ) => Vo1 = Vo2 = Vo
Áp trên cuộn kháng L: vL = (vo1 - vo2)/2 chỉ có các hài bội lẻ 1, 3, 5,…
Có thể chứng minh dễ dàng là áp trên tải chỉ có hài bội chẵn, nghiã là sẽ nhấp nhô ở tần số góc 2 .
*) Cải thiện chất lượng dòng, áp đầu ra và dòng nguồn cung cấp khi điều khiển
lệch pha các BBĐ
Ta biết tần số làm việc của BBĐ càng cao thì các ảnh hưởng của song hài bậc cao lên tải
một chiều càng bé nhưng tần số hoạt động của BBĐ bị giới hạn bới khả năng ngắt điện. Như
đã chứng minh ở phần trên, khi điều khiển lệch pha ½ chu kì hai BBĐ giống nhau nối song
song nhấp nhô dòng áp có tần số gấp đôi tần số làm việc của BBĐ và như vạy chất lượng dòng
áp đầu ra đã được cải thiện.
Khả năng sử dụng nguồn một chiều cũng được cải thiện khi các BBĐ là tải của chúng
làm việc lệch pha. Khi đó giá trị hiệu dụng của dòng nguồn sẽ tiến gần đến gía trị trung bình
của chúng hơn. Hình 4.13 vẽ dạng dòng cung cấp cho 1 BBĐ và 2 BBĐ làm việc lệch pha ½
chu kỳ. Dòng nguồn là những xung hình thang có độ rộng bằng khoảng dẫn của ngắt điện S
nhưng ta có thể giả sử xung dòng có dạng chữ nhật có biên độ là trị trung bình dòng tải để tính
toán dễ hơn khi tự cảm tải L đủ lớn. 72
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
Hình 4.13: Dạng nguồn dòng in của một và hai BBĐ giống hệt nhau làm việc song song lệch pha nhau 1800
Sóng hài bậc cao làm cho ta không tận dụng công suất nguồn điện, có thể giảm bớt bằng
mắc lọc LC ở đầu vào như Hình 4.12b).
4.3. BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LOẠI FLYBACK
Các bộ biến đổi áp một chiều khi làm nguồn cho các thiết bị điện tử cần có thêm bộ lọc
LC (hay RC khi công suất bé) để áp ra phẳng. Trong các bộ nguồn xung hiện đại ta hay gặp bộ
biến đổi loại flyback, nó cho ra chuỗi xung dòng, qua trung gian cuộn dây để nạp tụ đầu ra thay
vì các xung áp như ở BBĐ dạng FORWARD. Bộ biến đổi áp một chiều xếp vào loại flyback
khi chu kỳ hoạt động gồm hai pha:
Pha 1: Ngắt điện đóng (ON). Cuộn dây được nạp năng lượng từ nguồn, tải sử dụng năng
lượng tích trữ trong tụ điện song song ( tụ lọc đầu ra ).
Pha 2: Ngắt điện ngắt (OFF). Cuộn dây chuyển (phóng) năng lượng qua tải và nạp năng lượng vào tụ điện. 73
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
Hình 4.14: Các sơ đồ BBĐ dạng Flyback
Như vậy, nguyên tắc hoạt động bộ biến đổi loại FLYBACK đối nghịch với các bộ biến
đổi xung điện áp dạng FORWARD, khi tải được nối nguồn khi ngắt điện đóng (ON) và sử dụng
năng lượng tích trữ khi ngắt điện khóa.
Có 4 sơ đồ được trình bày trên Hình 4.14:
(a) Bộ biến đổi đảo cực tính. (được dùng cho khảo sát cơ bản vì có số phần tử là ít nhất).
(b) Sơ đồ tăng giảm áp.
(c) Sơ đồ tăng giảm áp có biến áp. (d) Sơ đồ tăng áp.
Sơ đồ (a) có số phần tử ít nhất, (b) có cùng hoạt động với (a) nhưng không đảo cực tính,
(c) tương tự nhưng sử dụng biến áp và (d) tăng áp.
BBĐ tăng áp đã được khảo sát ở mục 4.4.2 là trường hợp riêng của sơ đồ hình (d), khi
biến áp tự ngẫu chỉ còn lại cuộn dây sơ cấp. 4.4. MẠCH TẮT SCR
Ngoài họ transistor hay GTO có thể đóng ngắt theo mạch lái các ngắt điện đã tìm hiểu ở
chương 1, ta có thể sử dụng SCR làm ngắt điện bán dẫn làm việc với điện một chiều khi sử
dụng thêm mạch phụ, gọi là mạch tắt SCR. Cũng giống như ở chỉnh lưu, quá trình tắt SCR còn
được gọi là quá trình chuyển mạch hay chuyển mạch.
Nguyên lý tổng quát của mạch tắt SCR là tạo ra một đường dẫn điện tạm thời thay thế
SCR , làm cho dòng qua nó về không trong thời gian đảm bảo tắt tq > toff.
4.4.1. Ví dụ mạch tắt SCR
Mạch hai trạng thái bền dùng SCR (Hình 4.15).
Tại t = 0, kích T1. T1 dẫn điện và C được nạp qua T1 và R2 đến áp nguồn V với cực tính
như hình vẽ. T2 có điện áp phân cực là vC , bằng áp nguồn V khi dòng nạp tụ tiến về 0.
Khi kích T2, T2 dẫn điện và tụ điện C đặt áp âm vào T1. T1 không thể dẫn điện và phục
hồi trạng thái khóa. Tụ điện C được nạp qua R1 đến giá trị áp nguồn V với dấu ngược lại, chuẩn
bị làm tắt T2 khi T1 được kích. Thời gian T1 bị đăït áp âm được gọi là tq - thời gian đảm bảo
tắt SCR, cần phải lớn hơn toff là thời gian cần thiết cho SCR phục hồi khả năng khóa. 74
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
Hình 4.15: Mạch hai trạng thái bền dùng SCR
Như vậy để tắt SCR, người ta có thể dùng tụ điện với điện tích có dấu thích hợp, tạo
đường dẫn điện tạm thời làm cho dòng qua SCR về không trong thời gian tq đủ để SCR phục hồi khả năng khóa.
4.4.2. Sơ đồ chuyển mạch cứng các SCR
Việc tắt SCR bằng cách dùng tụ điện đặt áp âm vào AK như ví dụ trên được gọi là chuyển mạch cứng các SCR.
Để khảo sát ta xem sơ đồ tổng quát Hình 4.16 với giả thiết dòng tải Io không đổi trong
thời gian chuyển mạch, V là áp trên tụ trước thời điểm chuyển mạch. Khi khóa K đóng, v vc (0)
V làm T tắt. dòng tải Io chuyển qua mạch C.
Phương trình cho vC khi chuyển mạch: dvC ;vC (0) V
vT vC ( )t Io t V Io C dt C
Khi t = tq là thời gian đảm bảo tắt T1, áp trên tụ bằng 0: vC ( )tq 0 CV. I to q 75
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều Hình 4.16:
Khi C nạp đến giá trị nguồn, dòng qua nó về 0, T2 tự tắt , dòng tải khép mạch qua Df. Tụ
điện C đã có năng lượng cho chu kì làm việc mới. Như vậy , điện lượng C .V tích trữ trong C
phải duy trì được dòng tải trong thời gian đảm bảo chuyển mạch tq hay: tq = V.C / Io .
Bộ biến đổi làm việc một phần tư dùng SCR
Trong mạch Hình 4.17a), T1 là SCR chính dẫn dòng điện tải, T2 là SCR phụ, chỉ làm
nhiệm vụ tắt (còn gọi là chuyển mạch) SCR chính. Để khảo sát mạch, ta có giả thiết dòng tải không thay đổi:
io = Io là hằng số trong thời gian mạch tắt SCR hoạt động.
Nguồn được nối vào đủ lâu để C được nạp đến áp nguồn V theo cực tính như hình vẽ qua
điện trở R. R có giá trị rất lớn, không ảnh hưởng đến hoạt động sau này của mạch.
Tại t = 0, kích T1. T1 dẫn điện. dòng qua nó gồm dòng tải Io và dòng phóng điện của tụ
C qua T1, Dp và L. Đây là mạch cộng hưởng LC không có tổn hao khi ta xem các linh kiện là
lý tưởng. Dòng phóng điện của C là hình sin và áp qua nó có dạng cos.
Khi điện áp trên tụ điện đảo cực tính (ngược với dấu trên Hình 4.17a)), diode Dp không
cho phép nó xả theo chiều ngược lại và như vậy tụ điện C đã chuẩn bị được điện tích có dấu
thích hợp để tắt T1 khi T2 được kích, như sơ đồ nguyên lý Hình 4.16. Thời gian đảo cực tính
tụ điện là ½ chu kỳ dao động /2 LC cũng chính là thời gian on tối thiểu của BBĐ.
Khi kích T2, T2 dẫn vT1 = vC < 0 : T1 tắt vì dòng tải Io chuyển qua C. C được nạp bằng
dòng tải I , như nguyên lý chuyển mạch cứng như đã khảo sát. o 76
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều i to q
Điều kiện để có sự chuyển mạch thành công là C
, tq > toff là thời gian tắt của SCR T1. V
Khi C nạp đến giá trị nguồn V, dòng qua nó về 0, T2 tự tắt, dòng tải khép mạch qua Df.
Tụ điện C đã có năng lượng cho chu kỳ làm việc mới. Thời gian off tối thiểu của BBĐ là
2.t , dể cho áp trên tụ có thể thay đổi từ q
- V đến + V, đảm bảo tắt được SCR chu kỳ tiếp.
(a) BBĐ ¼ mặt phẳng tài dùng SCR và các dạng sóng
b) và c) Các mở rộng của mạch tắt hình a) Hình 4.17:
Nhược điểm lớn của mạch này là phải có pha đảo cực tính áp trên tụ điện, điều này làm
tăng tổn hao năng lượng, giảm tần số làm việc cho phép của mạch. Cùng họ chuyển mạch cứng
còn có các mạch trên hình Hình 4.17 b) và c) không sử dụng cuộn dây và cũng không có pha
đảo cực tính áp trên tụ điện. Tụ tắt C nằm giữa cầu SCR, chúng được kích ở theo chu trình
thích hợp để cung cấp áp âm tắt SCR chính (sơ đồ b). Sơ đồ (c) có điều khiển phức tạp hơn khi
dòng tải lần lượt chạy qua các nhánh của cầu SCR.
Trong thực tế, trong mạch còn nhiều tự cảm nối tiếp với SCR, có thể là tự cảm của nguồn
điện, dây dẫn hay là cuộn dây được thêm vào để chống những đột biến dòng làm ảnh hưởng
kết quả tính toán trên. 77
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
Mở rộng chuyển mạch cứng cho BBĐ làm việc hai phần tư
Khi BBĐ làm việc nhiều hơn một phần tư, cần có diode phóng điện song song ngược với
SCR. Ví dụ như ở sơ đồ Hình 4.18. Mạch này hoạt động tương tự như sơ đồ Hình 4.17a) nhưng
các tính toán cho bộ chuyển mạch cứng thay đổi hoàn toàn.
Hình 4.18: Mở rộng của mạch tắt Hình 4.17a) cho BBĐ làm việc nhiều hơn ¼ mặt phẳng tải
Để chuẩn bị tắt SCR chính T, tụ điện cũng được nạp với cực tính như hình vẽ. Khi SCR
phụ Tp được kích, dòng qua tụ C chia làm hai nhánh: cung cấp dòng tải IO thay cho SCR chính
T (đảm bảo T tắt), khép mạch qua D tạo thành mạch dao động LC. Ta có thể nhận xét nhiệm
vụ của L là hạn chế tốc độ phóng điện của C qua D. Vì dòng tải IO đang chạy qua L khi Tp
được kích, giá trị ban đầu của dòng qua C là Io làm thay đổi thời gian xả tụ C.
L là cuộn kháng có trị số rất bé, chỉ tham gia quá trình chuyển mạch mà không ảnh hưởng hoạt động của tải.
4.4.3. Sơ đồ chuyển mạch mềm các SCR
Bộ biến đổi làm việc hai phần tư dùng SCR dùng chuyển mạch mềm Hình 4.19:
Vì chuyển mạch cứng cần một tụ điện nối song song với SCR, để BBĐ có thể làm việc
nhiều hơn một phần tư, ta cần thêm vào cuộn kháng L bên cạnh diode phóng điện D thì ở
chuyển mạch mềm diode phóng điện được nối song song ngược trực tiếp với SCR. 78
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
Kết quả của cách nối này là chỉ có dòng qua SCR giảm về 0 khi chuyển mạch, vAK không
có áp âm. Đây là đặc trưng của họ chuyển mạch mềm. Hình 4.20: Nguyên lý hoạt động:
Trong BBĐ hai phần tư, một ngắt điện bán dẫn cấu tạo từ hai SCR: S1 (S2) bao gồm
SCR chính dẫn dòng điện tải T1 (T2) và SCR phụ T11 (T22). Các linh kiện phụ LC sử dụng
chung. Trên sơ đồ có ghi dấu cực tính điện áp trên tụ C ở thời điểm t , khi chuẩn bị tắt SCR T1 0
đang dẫn dòng tải I . Khi kích T11, dòng phóng điện của C (mũi tên đôi) một phần cung cấp o
cho tải I , một phần khép mạch qua D1, T11 để tạo thành dao động LC. o
Ở cuối bán kỳ dao động LC, áp trên tụ đảo cực tính, chuẩn bị tắt T2 ở pha kế tiếp bằng
việc kích T22. Dạng dòng, áp qua các phần tử được vẽ trên Hình 4.20, khi iC > Io dòng qua
SCR T1 bằng 0. Vậy thời gian có iC > Io chính là thời gian đảm bảo tắt tq cho T1.
Khảo sát lý thuyết chuyển mạch mềm:
Khóa K đóng mạch với áp dòng qua các phần tử mạch như trên Hình 4.21. 79
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
Hình 4.21: Mạch điện tính toán chuyển mạch mềm
Hình 4.22: dạng dòng qua tụ điện với các tỉ số A khác nhau nhưng cùng tq.
Tại t = 0, dòng qua L không thay đổi tức thời nên dòng qua SCR vẫn bằng Io, ta có phương trình: vC vL 0 diC và iC C dvC Với vL L dt dt dvC 0 => vC LC dt V
Điều kiện đầu vC (0) 2 dvC (0) 0 80
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều iL (0) dt V L Giải ra: iC
sin t có dạng hình sin 2 C V L 1
với biên độ Imax và tần số góc 2 C LC
Như đã giới thiệu trên, thời gian đảm bảo tắt t , phụ thuộc
q tương ứng với thời gian iC > Io
hai thông số L, C (hay Imax và ). .tq 2 Io Io Imax cos tq cos 2 Imax
Điều kiện tối ưu được chọn là tối thiểu năng lượng tích trữ trong L (hay C) và biến trung
gian cho khảo sát là A = Imax/Io. Ta có: W L I. max2 1. t q 1
A). . .V I Ao tỉ lệ với h A( ) 8cos (1/ A1 A) 2 4 2cos (1/
h(A) --> min ở A = 1,55 Có thể suy ra: C 2 I to. q A 1,786
I to. q và L 1 V t. q 1 0,185V t . q V g A( ) V 2 Io A g A. ( ) Io 1 g A( ) 0,277
Tần số dao động riêng của mạch LC: f0 2 2 . tq tq LC
Để ý độ rộng xung tối thiểu (đảm bảo điều kiện chuyển mạch) là bằng ½ chu kỳ dao
động hay tần số cực đại có thể của BBĐ là f0 và áp ban đầu trên tụ là V/2. 4.5. ỨNG DỤNG
Là thiết bị cung cấp nguồn một chiều thay đổi được, các tải của BBĐ xung áp một chiều
cũng chính là tải của sơ đồ chỉnh lưu nhưng BBĐ lại làm việc với nguồn một chiều. Vì vậy,
phạm vi ứng dụng của hai BBĐ thật sự không trùng nhau. Các ứng dụng của BBĐ xung áp một
chiều có thể chia làm hai nhóm: 81
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
- Sử dụng nguồn một chiều áp không đổi, có thể là lưới điện một chiều hay accu. Đây
làcác ứng dụng đặc trưng của BBĐ xung áp một chiều. Ngày nay ngoài các lưới một chiều của
hệ thống giao thông công cộng bằng điện đã xây dựng từ lâu, chỉ phổ biến các ứng dụng nguồn là acquy axithay pin.
- Sử dụng nguồn một chiều chỉnh lưu diode từ lưới xoay chiều công nghiệp. Nhóm
nàykhai thác các ưu điểm của BBĐ xung áp một chiều mà chỉnh lưu điều khiển pha không thể
có được là mạch điều khiển và động lực đơn giản, hệ thống tác động nhanh và chất lượng điều khiển dễ dàng nâng cao.
4.5.1. Nguyên lý điều khiển bộ biến đổi
Có hai nguyên lý thường dùng: Điều rộng xung và so sánh có trễ.
a) Nguyên lý điều rộng xung b) So sánh có trễ Hình 4.23:
*) Nguyên lý điều rộng xung (PWM)
Bộ biến đổi có thể xem như mạch khuếch đại tín hiệu:
UĐK --> Mạch Phát xung --> BBĐ --> áp ra Vo.
Mạch phát xung so sánh tín hiệu điều khiển UĐK và sóng mang uĐB , thường có dạng tam
giác. Từ đó có thể suy ra quan hệ giữa độ rộng xung tương đối và UĐK . Khi thay đồi UĐK áp
ra Vo sẽ thay đổi, và việc giữ đầu ra ở đặc tính mong muốn sẽ phụ thuộc vào hệ thống điều khiển tự động.
*) Sử dụng bộ so sánh có trễ (so sánh Smit)
Kết hợp mạch thay đổi độ rộng và việc điều khiển hệ thống. Bộ so sánh có nhiệm vụ so
sánh đặc tính đầu ra (phản hồi) và tín hiệu đặt để đóng ngắt ngắt điện: Khi
Đặt > Phản hồi + : HT tác động ngắt điện để tăng đầu ra.
Đặt < Phản hồi - : HT tác động ngắt điện để giảm đầu ra.
vùng trễ được thêm vào để giảm tần số đóng ngắt. Hệ thống ĐK này đơn giản, chất
lượng đầu ra được đảm bảo nhưng không thể rất cao vì đầu ra luôn còn sai số, tần số đóng ngắt
thay đổi theo tải. Nguyên lý này còn có các tên: rơ le có trễ, điều khiển theo áp (dòng) đầu ra. 82
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều
Sơ đồ điều khiển vòng kín BBĐ xung áp một chiều hoàn toàn giống với chỉng lưu điều
khiển pha, cũng có vòng phản hồi dòng điện và vòng phản hồi điện áp (hay tốc độ khi đối tượng
điều khiển là động cơ). Nhưng khi sử dụng các sơ đồ hạn dòng cực đại, khóa tức thời các ngắt
điện khi dòng vượt quá giá trị giới hạn, có thể bỏ qua vòng dòng điện khi công suất tải bé.
4.5.2. Điều khiển động cơ một chiều
Với khả năng thay đổi được điện áp một chiều đầu ra, bộ biến đổi áp một chiều có thể sử
dụng cho điều khiển động cơ một chiều như các sơ đồ chỉnh lưu . Có hai nhóm ứng dụng lớn:
thống sử dụng điện trở và các ngắt điện cơ khí cổ điển, có thêm khả năng thu hồi lại động năng
chuyển động khi cho động cơ làm việc trong chế độ hãm tái sinh (trở thành máy phát, đưa năng
lượng trở về lưới một chiều).
* Điều khiển động cơ công suất nhỏ làm bộ phận chấp hành trong các hệ thống tự động
(truyền động động cơ chấp hành - servo motor). Các ưu điểm là: -
Tác động nhanh nhờ làm việc ở tần số cao, sơ đồ đơn giản, kích thước bé. -
Dễ dàng thực hiện sơ đồ làm việc bốn phần tư (đảo chiều động cơ) so với chỉnh lưu SCR.
Người ta cũng dùng BBĐ áp một chiều cho điều khiển dòng qua các nam châm điện làm
việc trong chế độ tuyến tính, nguyên lý cũng tương tự như điều khiển động cơ.
4.5.3. Các bộ nguồn một chiều - cấp điện hay ổn áp xung
Bộ cấp điện còn gọi là bộ nguồn cho các thiết bị điện hay điện tử dùng trong đo lường,
điều khiển, thông tin hay dân dụng … , thường có các yêu cầu cao về chính xác, sóng hài hay
độ nhấp nhô đầu ra. Trước đây, các bộ cấp điện thường sử dụng mạch tuyến tính: Điện lưới
được giảm áp qua biến áp cách ly, chỉnh lưu diode, lọc phẳng và mạch ổn áp tuyến tính để giữ
ổn định áp đầu ra. Sơ đồ khối này tuy đảm bảo chất lượng đầu ra cao nhưng có một số nhược
điểm: trọng lượng cao vì sử dụng biến áp giảm áp 50Hz, hiệu suất thấp vì tiêu tán công suất
qua phần tử sụt áp. Việc sử dụng bộ biến đổi áp một chiều khắc phục hai nhược điểm này nhưng
bù lại mạch điện phức tạp hơn và chất lượng đầu ra không tốt bằng: độ ổn áp kém hơn và áp ra
không thật sự phẳng. Có hai sơ đồ khối chính cho cấp điện xung:
a) Sử dụng bộ biến đổi áp một chiều thay cho mạch ổn áp tuyến tính
Hình 4.24 cho ta sơ đồ khối bộ cấp điện một chiều, trong đó bộ biến đổi xung điện áp
một chiều được sử dụng thay cho mạch ổn áp tuyến tính. Hiệu suất của mạch tăng vì phần tử
công suất làm việc trong chế độ đóng ngắt thay cho khếch đại. Hệ thống loại này thường gặp
trong các thiết bị sản xuất cách đây khá lâu, khi bán dẫn đóng ngắt ở áp cao chưa phổ biến. 83
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 4. Bộ biến đổi điện áp một chiều Hình 4.24:
b) Cấp điện một chiều sử dụng biến áp tần số cao: (ví dụ Hình 4.25)
Hiệu quả kinh tế của cấp điện đóng ngắt thực sự rõ ràng khi sử dụng các bộ biến đổi xung
ở phía áp lưới điện thế cao. Biến áp cách ly lưới - tải làm việc ở tần số cao có kích thước, trọng
lượng bé và giá thành hạ làm thay đổi hẵn bộ mặt thiết bị. Bộ biến đổi xung áp một chiều có
hai dạng: transistor hay MosFET. Hình 4.25:
- Khi sử dụng bộ điều rộng xung, phải sử dụng bộ biến đổi làm việc bốn phần tư và kết
hợp nguyên lý đẩy kéo để biến ra áp xoay chiều - thực chất là xây dựng bộ nghịch lưu, nhờ đó
có thể ghép qua biến áp tần số cao.
Mạch điều khiển gồm có hai bộ phận cách ly điện với nhau: một lấy tín hiệu phản hồi từ
tải và một lái mạch công suất có điện áp lưới. 4.5.4. Nghịch lưu
BBĐ áp một chiều là cơ sở để xây dựng bộ nghịch lưu: BBĐ DC -> AC. Ví dụ BBĐ
làm việc 4 phần tư mặt phẳng tải có thể là bộ nghịch lưu một pha khi trị trung bình đầu ra
bằng không và thành phần hữu dụng chính là sóng hài bậc 1. TÓM TẮT
Chương này khảo sát các BBĐ điện áp một chiều, gồm nhiều sơ đồ khác nhau. Bài giảng
đặt trọng tâm vào BBĐ dạng FORWARD, là dạng phổ biến trong công nghiệp. BBĐ dạng
FORWARD đóng ngắt nguồn cung cấp cho tải, áp đầu ra là những xung áp chữ nhật có trị
trung bình thay đổi theo độ rộng xung tương đối .
Các công thức quan trọng cần nhớ là: tính trị trung bình, nhấp nhô của áp (hay dòng) đầu
ra (hay ngắt điện). Việc khảo sát hệ thống BBĐ áp một chiều - tải luôn luôn dựa vào nguyên lý
xếp chồng. Chế độ dòng gián đoạn luôn luôn được đặt ra khi BBĐ chỉ cho dòng chảy một chiều,
hậu quả của nó là áp ra luôn cao hơn giá trị tính toán. Khi thiết kế sơ bộ hay tính toán gần đúng
ta thường giả thiết là dòng tải liên tục để bài toán được đơn giản.
Mục 4.4 giới thiệu mạch tắt SCR gồm hai nhóm cứng và mềm. Mục 4.5 trình bày các
ứng dụng của BBĐ điện áp một chiều. 84
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
Là các dạng nghịch lưu sử dụng SCR cho đóng ngắt, có tụ điện ở mạch tải để đảm bảo
chuyển mạch. Trong mạch điện gồm điện trở R, tự cảm L và điện dung C tạo thành mạch cộng
hưởng RLC, làm cho dòng qua SCR giảm về 0 và SCR tự tắt. Hình 5.1 bao gồm hai mạch
nghịch lưu song song: (a) là sơ đồ cầu, (b) là sơ đồ ghép biến áp; ( c) tương ứng với nghịch lưu nối tiếp.
a) Nghịch lưu song song (Hình 5.1a,b)
Dạng sóng các phần tử trên sơ đồ Hình 5.1a được vẽ trên Hình 5.2(b). Các SCR 1 và SCR
4 có cùng dạng xung kích cũng như SCR 2 và SCR3. Khi SCR 1 và SCR 4 dẫn điện, tụ điện C
được nạp đến điện áp có cực tính như trên hình vẽ. Điện áp này sẽ đặt điện áp âm vào SCR 1
và SCR 4, làm tắt chúng khi ta kích SCR2 và SCR3. Tự cảm L ở đầu vào cách ly nguồn và cầu
chỉnh lưu, làm cho dòng điện cung cấp vào cầu chỉnh lưu không thay đổi tức thời, tránh khả
năng chập mạch tạm thời qua SCR 1 và SCR2 (hay SCR 3 và SCR 4) khi các SCR chuyển mạch.
Do có tự cảm ở giữa bộ nghịch lưu và nguồn nên Trị số và dạng áp đầu ra thay đổi theo
đặc tính tải. Trên Hình 5.2(b), áp ra không còn dạng xung vuông và có thể gần giống hình sin
khi tải có tự cảm (tải RL).
b) Nghịch lưu nối tiếp (Hình 5.1(c))
Mạch điện Hình 5.1(c) là dạng đơn giản nhất trong nhóm mạch nghịch lưu nối tiếp, có
mạch tương đương là RLC nối tiếp khi SCR dẫn điện. Ví dụ như khi SCR 1 được kích, dòng
qua mạch sẽ về không khi áp trên tụ điện đạt giá trị cực đại (có dấu như trên mạch điện) và SCR
sẽ tự tắt. Vì thế mạch còn gọi là nghịch lưu chuyển mạch tải. Khi SCR 2 được kích, tụ điện sẽ
phóng qua nó và dòng về không khi áp trên tụ điện đảo cực tính, chuẩn bị cho chu kỳ kế tiếp - dạng sóng Hình 5.2(a).
Là mạch nghịch lưu có L bằng vô cùng ở đầu vào, làm cho tổng trở trong của nguồn có
giá trị lớn: tải làm việc với nguồn dòng. Hình 5.3 trình bày sơ đồ nguyên lý và mạch tương
đương của NL nguồn dòng một pha tải RL. Dòng nguồn iN phẳng, không đổi ở một giá trị tải,
được đóng ngắt thành dòng AC cung cấp cho tải: 85
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
Hình 5.4: Nghịch lưu nguồn áp
Hình 5.4 trình bày sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương của NL nguồn áp một pha. Đặc
trưng của NL nguồn áp là nguồn có tổng trở trong bằng không (là acquy axithay có điện dung
rất lớn ở đầu ra) để có thể cung cấp hay nhận dòng tải. Một đặc trưng khác là ngắt điện luôn có
diod song song ngược để năng lượng từ tải có thể tự do trả về nguồn.
Áp nguồn một chiều được đóng ngắt thành những xung áp hình vuông có biên độ xác
định để cung cấp cho tải.
5.3. NGHỊCH LƯU NGUỒN DÒNG
5.3.1. Sơ đồ một pha
*) Khảo sát trường hợp đơn giản: tải R, tự cảm nguồn rất lớn.
Mạch điện Hình 5.1 (a) và (b) cho ta dạng cơ bản của NL nguồn dòng một pha làm việc
ở tần số cao. Tụ C tạo ra khả năng chuyển mạch của bộ nghịch lưu. SCR1 và SCR4 khi được
kích cung cấp xung dòng dương cho tải, nạp tụ C theo cực tính như hình vẽ chuẩn bị tắt chúng
theo nguyên tắc chuyển mạch cứng. Kích SCR2 và SCR3 sẽ làm cho SCR1 và SCR4 tắt và
cung cấp xung dòng âm cho tải.
Khảo sát chu kỳ tựa xác lập mạch điện hình Hình 5.1 (a):
LN có trị số rất lớn => dòng nguồn phẳng, bằng I.
Kích SCR1 và SCR4, có các phương trình: v0
C dv0 với v0 (0) VC là giá trị đầu vào I R dt
=> v0 A Be t RC/ ; v0 (0) VC A B (5.1) T Sau ½ chu kì v0 ( )
Vc (vì tính đối xứng) vc A Be t / 2RC 2 (5.2)
Tích phân công suất qua cuộn dây LN trong chu kỳ: 2 T / 2 2 T / 2
PL 0T I V( v dt0 ) => T 0 (V v dt0 ) 0 0 T2 T / 2 VT At 1 Be t RC/ T / 2 (5.3) Hay v dt0 V => 2 RC o 0 86
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần V
1 e T / 2RC 2e t RC/ Vậy: v t0 ( )
1 e T / 2RC 4RCT 1 e T / 2RC 2
Khi chuyển về hệ đơn vị tương đối, đặt t t k; RC : T v0 ( )
1 e /k 2e /k V 1 e /k
2k 1 e /k (5.4)
Đồ thị điện áp trên các phần tử và áp ra tải ở hệ đơn vị tương đối v0 ( ) /V với các hệ số
k khác nhau được trình bày trên Hình 5.5 (a) và (b) . Nhận xét là các quan hệ có dạng hàm mũ,
thời gian v0 0 chính là thời gian đảm bảo tắt tq cho các SCR
Hình 5.5: (a) dạng áp, dòng qua các phần tử, (b) vo ( ) /V với các giá trị k khác nhau
Bài tập: tính giá trị của t , tính giá trị I của dòng chảy qua nguồn q
Hướng dẫn: v t0 ( )q 0 1
e T / 2RC 2e tq / RC 0 => tq 2 T / 2 v2 2 T / 2 v2
P V I. T 0 R0 dt IVT 0 R0 dt 87
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
*) Khảo sát trường hợp thực tế: tải là RL, và điện kháng nguồn không vô cùng lớn.
Khi đó các dạng dòng, áp có tính dao động, áp trên tụ C sau khi qua giá trị cực đại sẽ giảm
xuống, kéo theo giảm tq, nhất là khi tần số làm việc thấp. Khi đó, người ta dùng các diode chặn,
cho phép giữ áp trên tụ ở giá trị cực đại như Hình 5.6 (a) và (b).
Hình 5.6: (a) mạch động lực, (b) dạng áp ra khi có và không có diode chặn
*) Khảo sát gần đúng nghịch lưu nguồn dòng: thực tế tải thường là RL.
Khi tính toán gần đúng, ta có các giả thiết sau dù điện kháng nguồn không lớn vô cùng:
- Xung dòng cung cấp cho tải là xung hình vuông, biên độ I.
- Tụ C và tải RL làm thành mắc lọc cộng hưởng, làm cho áp trên tải vC có dạng hình
sin và như vậy chỉ có sóng hài bậc 1 của dòng cung cấp là i1 tạo ra công suất.
Mạch tương đương được vẽ trên hình Hình 5.7(a) khi chỉ xét thành phần cơ bản (bậc 1).
Hình 5.7(b) cho ta các vector: VC là áp ra, I1 là hài cơ bản của dòng ra i0 ; , IC ,IL lần lượt là dòng
qua C và tải RL , ta có: V sớm pha VC góc
C là áp ra, lệch dòng ra IL góc của tải RL . I1
để có áp âm cần thiết
tắt được các SCR (phần gạch đứng trong Hình 5.7(c)). (a) (b) (c) Hình 5.7: Ta có: 88
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần + Góc lệch pha tq
+ Hiệu dụng hài bậc nhất dòng 2 2 3
i0 là: I1 a
I với a = 1 ở sơ đồ 1 pha và a ở 2
sơ đồ 3 pha. (dùng công thức ở phần VI.3.1, hình 6.3.1).
Từ đồ thị vector ta có : IL .sin 1 tan
IC IL.sin ILIC. osc 1 BBcossin với B IICL YYCL CZ1 , Z là tổng trở I cL. os IC tải RL Z R2 L 2 , với tan 1 1 BBcossin , (5.5)
Để tính dòng, áp ta tính công suất P bằng hai cách từ nguồn một chiều (nguồn cấp) và tải
(tiêu thụ ) nếu coi hệ số hệ thống bằng 1: 1
P V I. V I cC. . os =V .1 C a 2 2 I c. os =>V C . .V (5.6) a.2 2 cos
Từ đầu ra VC có thể xác định công suất và dòng nguồn I.
Bài tập: Tính mạch nghịch lưu nguồn dòng sơ đồ một pha. Áp nguồn một chiều 500 [V],
tần số làm việc 1 [KHz], R = 15 [ ] và L = 0,001 [H]
- Tính giá trị điện dung C để đảm bảo thời gian tắt SCR là 30 [ s].
- Tính giá trị hiệu dụng áp ra V , suy ra công suất trên tải P và dòng nguồn I. C 5.3.2. Sơ đồ 3 pha
Để tạo ra hệ thống ba pha, các ngắt Logic ba pha: (hai ngắt điện làm việc cùng lúc ) điện
phải được đóng ngắt theo một thứ tự nhóm + S1 S2 S3 S1
không thay đổi đối với các hệ thống ba pha,
gọi là LOGIC BA PHA. Nghịch lưu nguồn nhóm – S6 S4 S5 S6 dòng sử dụng logic
ba pha có hai ngắt điện chung S1 S6 S2 S4 S3 S5 làm việc cùng lúc. Đây cũng chính là thứ tự
điều khiển các SCR trong chỉnh lưu cầu ba pha. Nhận xét la ở đây chỉ có hai ngắt điện làm việc
cùng lúc vì dòng nguồn không đổi (nguồn dòng) chỉ có thể chạy qua một SCR của nhóm (+)
một SCR của nhóm (–). Ví dụ khi S1, S6 đang dẫn, S2 được kích sẽ làm tắt S1 (Hình 5.8(a)). 89
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
Hình 5.8: (a) Dạng áp, dòng của nghịch lưu nguồn dòng 3 pha, (b) mạch động lực
Hình 5.8 cho ta các dạng sóng và mạch nguyên lý của nghịch lưu nguồn dòng 3 pha.
Dòng nguồn, xem như không đổi ở một trạng thái của tải, đưọc phân bố cho các SCR như hình
(a): mỗi lúc chỉ có hai SCR làm việc, xung dòng trên mỗi pha có dạng chữ nhật, áp ra thay đổi
theo đặc tính tải. Cũng giống như nghịch lưu một pha, dòng qua tải iA sớm pha hơn điện áp vA
(Hình 5.8(a)). Đây chính là điều kiện để có sự chuyển mạch: khi xem tụ chuyển mạch là thành
phần của tải, tải sẽ có tính dung và đặt được áp âm vào SCR đang dẫn khi SCR mới được kích.
Việc tính toán gần đúng nghịch lưu nguồn dòng 3 pha thực hiện giống như sơ đồ một pha
nhưng với quan hệ giữa biên độ và thành phần cơ bản (hệ số a) của dòng điện thay đổi.
Một nhận xét khác là năng lượng chỉ chảy một chiều từ nguồn qua tải, làm áp ra thay đổi
theo tải, tăng cao khi không tải vì năng lượng tích trữ ở tải tăng cao.
Ta có thể thay đổi áp ra bằng cách thay đổi áp nguồn hay mắc song song với tải một mạch
điều chỉnh công suất phản kháng.
Hình 5.9(a) cho ta một ví dụ về nghịch lưu nguồn dòng cụ thể. Có thể thấy đây là sự phát
triển của sơ đồ Hình 5.6(a) thành ba pha, SCR đang dẫn sẽ tắt khi một SCR nối chung anod
(catod) được kích theo logic mỗi lúc có hai ngắt điện làm việc. Quá trình tắt T1 khi T3 được
kích được vẽ trên hình (b), các tụ điện sẽ đặt áp âm vào T1 và nạp đến cực tính ngược lại, chuẩn
bị tắt T3 ở xung dòng kế tiếp. Các diode được thêm vào để tránh tình trạng tụ điện C bị xả qua
tải ở tần số làm việc thấp. Hình (c) cho ta các dạng sóng trên các phần tử của mạch. 90
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
Hình 5.9: Sơ đồ, dạng áp, dòng của nghịch lưu nguồn dòng 3 pha
5.4. NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP
5.4.1. Sơ đồ một pha
Có thể xem BBĐ áp một chiều làm việc 4 phần tư điều khiển chung ở chương 4 với áp ra
có trị trung bình bằng không là một trong những bộ nghịch lưu nguồn áp một pha, được gọi là
sơ đồ cầu khi dùng 4 ngắt điện (Hình 5.4) hay nửa cầu dùng hai nguồn (Hình 4.9). 91
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
Hình 5.10: Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp một pha
Hình 5.10 cho ta hai dạng mạch khác của nghịch lưu nguồn áp 1 pha (ngoài sơ đồ cầu
Hình 5.4) là sơ đồ nửa cầu dùng một nguồn (a) và sơ đồ đẩy kéo (b). Hai sơ đồ này chỉ có thể
dung cho các bộ nghịch lưu vì cầu phân áp dùng tụ và biến áp chỉ làm việc với tín hiệu xoay chiều.
Có thể dễ dàng nhận thấy là trình tự đóng ngắt các ngắt điện của các sơ đồ này sẽ giống
như ở BBĐ áp một chiều làm việc 4 phần tư nhưng luật điều khiển sẽ thay đổi, cơ bản nhất là
đảm bảo trung bình áp ra bằng không.
Các ngắt điện như vậy phải có khả năng đóng ngắt theo sơ đồ điều khiển, không phụ thuộc
tải. Hiện nay ở mức công suất dưới 100 kW người ta thường dùng linh kiện họ transistor (IGBT,
transistor Darlington, MosFET) và có thể dùng SCR + mạch tắt hay GTO ở công suất cao hơn.
Việc tính toán dạng dòng, áp của tải RL có thể dùng các công thức đã xây dựng trong chương 4.
5.4.2. Sơ đồ ba pha
Nghịch lưu nguồn áp nhiều pha có thể bao gồm nhiều bộ nghịch lưu một pha làm việc
lệch pha một góc qui định của hệ nhiều pha tương ứng, ví dụ 2 /3 ở hệ 3 pha. Thường gặp nhất
là nghịch lưu nhiều pha được tạo thành từ những nửa cầu như Hình 5.11(a) là sơ đồ ba pha, gồm
3 nhánh làm việc lệch nhau 2 /3 từng đôi một. Với nguồn là nguồn áp và có diode phóng điện
song song với mỗi ngắt điện, năng lượng truyền được hai chiều giữa nguồn và tải làm cho áp ra
có dạng các xung vuông có biên độ là biên độ áp nguồn. Khác với nghịch lưu nguồn dòng,
nghịch lưu nguồn áp ba pha có thể sử dụng logic ba pha có hai hay ba ngắt điện làm việc cùng lúc. 92
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
Hình 5.11(b) gồm dạng xung
Logic ba pha: (ba ngắt điện làm việc cùng lúc )
điều khiển các ngắt ngắt điện, dạng áp, Pha A S1
dòng ra tải RL của một sơ đồ nghịch S4 S1
lưu ba pha nguồn áp. Nhận xét là mỗi Pha B S2 S5 S2
lúc có 3 ngắt điện làm việc. Pha C S6 S3 S6 chung S1 S6 S2 S4 S3 S5 S1 ( a) Mạch động lực ( b) các dạng sóng
Hình 5.11: Nghịch lưu nguồn áp ba pha
Dạng sóng đầu ra nghịch lưu nguồn áp 3 pha có dạng xung điều khiển hình Hình 5.11(b)
được gọi là dạng sóng 6 nấc, được xem là căn bản cho việc khảo sát đặc tính NL nguồn áp ba pha.
Để tính toán áp đầu ra nghịch lưu nguồn áp, người ta thường giả sử như nguồn có điểm
giữa n, các áp pha vAn , vBn , vCn , áp dây vAB , vBC , vCA có các quan hệ:
vAB vAn vBn vBC
vBn vCn vCA vCn vAn vAB vBC vCA 0
Khi điều khiển S1 = S4 (S1 và S4 làm việc ngược pha), ta có thể chứng minh là các áp
pha và các áp dây hoàn toàn xác định từ luật điều khiển các ngắt điện. Hệ thống như vậy còn
gọi là điều khiển hoàn toàn (toàn phần). Hệ thống được gọi là điều khiển không hoàn toàn nếu
có khoảng thời gian cả hai ngắt điện của nửa cầu đều không làm việc. Khi đó, áp ra sẽ phụ thuộc
vào dòng phóng điện qua diode, và như vậy áp ra sẽ phụ thuộc tải. 93
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
Hình 5.11(b) cho thấy áp dây vAB là xung vuông. Để tính các áp pha tải, ta giả sử tải nối
hình sao, đối xứng và có trung tính là N. Ta có các quan hệ sau khi bỏ qua chỉ số N của áp pha tải: 1
vAB vAn vBn vA 3(vAB vCA) vBC vBn vCn 1 vCA vCn vAn
suy ra vB 3(vBC vAB ) (5.7) vAB vBC vCA 0
vC 1(vCA vBC ) 3
Từ đây có thể tính được áp pha vA có dạng nấc thang và khảo sát trong một chu kỳ tựa
xác lập dạng dòng bao gồm các đoạn hàm mũ là dòng điện qua RL khi áp thay đổi nhảy cấp:
Cũng có thể tính áp pha tải theo áp đầu ra bộ nghịch lưu:
1 vA (2vAn vBn vCn ) 3 1
vB (2vBn vAn vCn ) (5.8) 3
1 vC (2vCn vAn vBn ) 3 Khi để ý v . Với
An vA vNn , vBn vB vNn , vCn vC vNn
vNn là điện áp giữa trung tính
N của tải và trung tính nguồn n và v
. Các công thức này không phụ thuộc vào An vBn vCn 3vNn
nguyên lý hoạt động của sơ đồ nghịch lưu ba pha.
Khác với nghịch lưu nguồn dòng chỉ có một sơ đồ điều khiển như đã trình bày, nghịch
lưu nguồn áp có thể được điều khiển bằng nhiều thuật toán khác nhau.
5.4.3. Nghịch lưu đa bậc
Mục đích làm cho dạng điện áp gần với hình sin hơn. Có nhiều cách thực hiện nghịch lưu đa bậc:
+ Sử dụng nguồn có nhiều cấp điện áp và nhiều ngắt điện nối tiếp.
+ Nối tiếp nhiều bộ nghich lưu 1 pha có nguồn riêng.
+ Nối tiếp nhiều bộ nghich lưu làm việc lệch pha qua biến áp đầu ra.
a) Nghịch lưu nhiều bậc dùng nguồn nhiều cấp điện áp: (Hình 5.12) 94
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
Hình 5.12: Dạng tín hiệu áp ra nghịch lưu 5 bậc điện áp.
- Nhiều cấp áp nguồn dùng tụ phân áp.
- Số cấp bằng số tụ điện n + 1.
- nguyên lý làm việc: Ngắt điện phía trong (S13 hay S23) chỉ được khóa khi ngắt
điện ngoàinó (S12 hay S22) đã khóa và như thế một cấp điện áp sẽ được nối vào tải qua
diode kẹp khi các ngắt điện giữa nó và tải làm việc.
(a) Nguyên lý nghịch lưu năm nấc dùng nhiều nguồn cấp điện
(b) Thực hiện bằng sơ đồ dùng diode kẹp Hình 5.13:
b) Nghich lưu nhiều nấc dùng các cell nghịch lưu một pha ( Hình 5.14 ) 95
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
(a) Một cell nghịch lưu một pha và ký hiệu
Nghịch lưu đa bậc ba pha dùng tổ hợp ba cell (trường hợp tải R)
nghịch lưu một pha cho mỗi tải
Hình 5.14: Nghịch lưu nhiều bậc dùng các cell nghịch lưu một pha -
Như có thể nhận xét trong phần khảo sát NL ba pha sáu nấc, các dạng áp nấc thang này được
tạo ra từ việc cộng (trừ) các dạng xung vuông làm việc lệch pha nhau. Khi ta cộng (trừ) nhiều
áp ra của NL một pha, ta có thể tổng hợp được dạng áp nghịch lưu đa bậc. -
Số bậc: Mỗi cell có thể có 3 mức: +V, 0, -V; trên một nhánh có N cell tạo thành 2N+1 bậc.
Nghịch lưu đa bậc cho phép tạo ra công suất lớn, áp cao từ các cell công suất bé, áp thấp.
Tuy nhiên, BBĐ yêu cầu các nguồn một chiều cách ly với nhau.
c) Nghịch lưu đa bậc chép nối biến áp đầu ra (Hình 5.15)
- Mỗi cấp có bề rộng như nhau.
- Sử dụng biến áp để cộng các xung vuông thành áp nấc thang.
- Số bậc bằng 2 lần số bộ nghịch lưu một pha.
- Đơn giản nhất nhưng kích thước lớn, hiệu suất không cao.
Hình 5.15: Nguyên lý cộng hai dạng áp nghịch lưu dùng biến áp để tạo sóng nấc thang
Hình 5.16 giải thích nguyên lý tổng hợp dạng sóng 12 nấc thang ba pha từ 6 bộ NL một
pha làm việc lệch 300, dấu “–” cho biết phải đảo cực tính cuộn dây. Mỗi pha tải được cung cấp
bằng mạch nối tiếp 5 cuộn thứ cấp của biến áp đầu ra các bộ NL một pha với biên độ có tỉ lệ
theo bảng trên Hình 5.16(a). 96
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
(a) Bảng tổng hợp áp ba pha từ 6 thành phần 1 pha lệch 300
(b) Dạng sóng 12 nấc thang
Hình 5.16: Tổng hợp dạng sóng 12 nấc từ 6 nguồn nghịch lưu một pha
5.4.4. Tính toán gần đúng nghịch lưu nguồn áp
Ứng dụng mạch tương đương Hình 5.17 khi xem sóng hài bậc cao có tác dụng không đáng
kể. v1 , i1 là thành phần cơ bản (bậc 1, tần số góc ), TẢI chính là mạch tương đương của phụ
tải, được tính ở tần số làm việc .
Hình 5.17: Tính toán gần đúng nghịch lưu nguồn áp
Nguồn v1 có trị hiệu dụng được tính từ khai triển Fourier áp đầu ra BBĐ (mục 5.5). Từ
mạch tương đương, ta tính được dòng tải (xem như bằng i ), công suất tiêu thụ, suy ra như hoạt 1 động của tải.
Để đánh giá tác dụng của áp ra BBĐ không hình sin, ta tiếp tục sử dụng nguyên lý xếp
chồng để tính toán dòng, áp, công suất của các sóng hài bậc cao, công việc cũng tương tự như
tính toán với thành phần cơ bản.
5.5. ĐIỀU KHIỂN ÁP RA VÀ HẠN CHẾ SÓNG HÀI
5.5.1. Phân tích sóng hài điện áp
Dạng sóng điều rộng xung trên Hình 5.18 cho phép ta phân tích sóng hài hầu hết các dạng
áp ra của mạch nghịch lưu nguồn áp thường gặp. 97
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
Hình 5.18: Dạng xung cơ bản cho phân tích sóng hài nghịch lưu
Trục tung được dời đến vị trí trục đối xứng xung áp có bề rộng a để khai triển Fourier của
áp ra không có thành phần sin. Ngoài ra, vì áp ra có /2 là tâm đối xứng, sóng hài áp ra không
có tần số bội chẵn (n 2k): v V c os(n t) n
k= 0, 1, 2, 3,... Tích phân lấy theo t n 2k 1 1 2 2 / 2 2 / 2
Vn vc. os(n t) d t=
/ 2 vc. os(n t) d t=
/ 2 vc. os(n t) d t 0 4 V sin na V = /2 n
2n V sin(n t ) t=- /2 suy ra Vn n 2 (5.9)
Khi = /2 (xung chữ nhật) n=1,3,5,7,9,… thì 4V 4V 4V 4V 4V
n2 1 4V (5.10) Vn , , , , ,( 1) 3 5 7 9 n
Bài tập 5.1: Chứng minh ở dạng sóng 6 nấc hình Hình 5.11
+ Các thành phần Fourier của áp dây dẫn vẫn bằng 3 các thành phần tương ứng của áp pha.
+ Tỉ số các song hài bậc cao trên song hài cơ bản (bậc 1) cua áp dây và áp pha như nhau.
5.5.2. Điều khiển áp ra
Điều khiển áp ra là một yêu cầu cần thiết cho các bộ nghịch lưu vì: -
Giữ ổn định điện áp đầu ra, tránh các sụt áp do tải, nguồn và cả do các phần tử trong mạch. -
Áp ra cần điều khiển theo yêu cầu của tải. Ví dụ như với tải động cơ, khi làm
việc với nguồnáp cần cung cấp điện áp tỉ lệ với tần số làm việc để động cơ không bị bão hòa. 98
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
Hình 5.19: Đặc tính U/f theo lý thuyết (a) và thực tế (b) (a) (b)
Hình 5.20: Điều khiển áp ra bằng lệch pha
Ta có các phương pháp sau:
a) Thay đổi nguồn cung cấp
Làm biên độ áp ra thay đổi, thường sử dụng khi nghịch lưu là nguồn dòng hay áp ra có
dạng cố định. Khi đó, bộ NL thường được cung cấp điện DC từ bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển pha hay qua BBĐ áp DC.
b) Điều chế độ rộng xung: Một xung và nhiều xung.
Mạch điều khiển phức tạp hơn vì kết hợp cả điều khiển áp và tần số vào cùng sơ đồ nhưng
mạch động lực đơn giản và kinh tế hơn.
Có hai trường hợp: đk hoàn toàn khi luôn có 1 ngắt điện làm việc ở một nửa cầu hay đk
không hoàn toàn khi có lúc không có ngắt điện làm việc. Khi điều khiển hoàn toàn, áp ra được
xác định từ luật điều khiển ngược lại với đk không hoàn toàn vì khi không có ngắt điện làm việc
trên nhánh nữa cầu, áp đầu ra phụ thuộc dòng phóng điện (hình 5.21 và 5.22). 99
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
Hình 5.21: Sơ đồ điều rộng nhiều xung (NL một pha) khi điều khiển hoàn toàn (sơ đồ cầu hai nguồn)
Hình 5.22: Dạng áp, dòng nghịch lưu nguồn áp một pha khi điều khiển không hoàn toàn (mạch Hình 5.10)
Ví dụ 5.1: Tính toán dạng dòng của bộ nghịch lưu 1 pha, sơ đồ cầu với điều khiển lệch pha
Hình 5.20. Áp nguồn V, tải RL, chu kỳ T, góc lệch pha điều khiển , độ rộng xung áp q T.( )/ 2 , q tính bằng giây.
Xét chu kỳ tực xác lập, khi dòng điện lập lại theo chu kỳ T.
Gọi giá trị dòng qua tải khi t = 0 là I1 . Ta có phương trình vi phân khi S1, S4 đóng: di V L
Ri với điều kiện đầu i (0) = I1 . dt T Suy ra: I q) / 1 I e2. ( 2 T
Khi q= , i= - I . Vì có sự đối xứng hai nửa chu kì dương âm 1 2 T Ta có: I q) / 1 I e2. ( 2 100
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
Từ và ta tìm được I1 , I2 : T
V 1 e q / V e T / 2 e ( 2 q) / I2 R
1 e T / 2 ,I1 R 1 e T / 2
Bài tập 5.2: Khảo sát áp ra của bộ nghịch lưu có bề rộng xung không đổi khi tần số thay
đổi (giả sử điều khiển hoàn toàn). Gọi q là bề rộng xung tính bằng giây là không đổi trong bài
tập này. Tần số f của bộ nghịch lưu thay đổi, lớn nhất ứng với trị số chu kỳ tối thiểu 1/ fmax bằng
2.q . Bề rộng xung tính bằng độ bằng: q 2 q Biên độ sóng hài
bậc n = 1(thành phần cơ bản) là sin 4V V1 4V
sin( fq). Để có kết quả khảo sát tổng, đặt tần số f ' f / fmax với 2
fmax 1/2qhay f f ' . fmax và hàm số khảo sát là : f V '
' , trong đó f’ thay đổi trong khoảng 0 .. 1 1 V1 /(4V / ) sin . 2
V’ có dạng hình sin. với khoảng tần số thay đổi hợp lý, khá xa tần số cực đại fMAX, áp
ra có thể xem là tuyến tính theo tần số. Nguyên lý này cho phép xây dựng sơ đồ điều khiển rất
đơn giản để thực hiện nguyên lý V/ f = hằng số. Hình bài 5.2
Bài tập 5.3: Khảo sát sóng hài của bộ nghịch lưu điều khiển lệch pha theo góc lệch pha.
(giả sử điều khiển hoàn toàn). Như đã chứng minh, khi hai nửa cầu điều khiển lệch pha ta có
dạng xung điều rộng, bề rộng xung là và sóng hài bậc n là: 4V n sin Vn
, n chỉ có các giá trị lẻ và thay đổi trong khoảng từ 0 .. n 2 4V 1 n sin
Khảo sát hám số V 'n Vn /( )
, theo cho ta đồ thị sau với n = 1, 5, 7, n 2
11, 13 . Các hài bội ba không cần xét khi dạng sóng được ứng dụng cho hệ ba pha. 101
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
5.5.3. Hạn chế sóng hài đầu ra
Các sóng hài bậc cao có các tác dụng:
- Gây phát nóng phụ: do dòng không hình sin và hài bậc cao làm tăng tổn hao trong dây dẫnvà lõi sắt.
- Gây momen phụ: do các thành phần 3 pha bậc cao tạo ra trong động cơ xoay chiều. Có
nhiều phương pháp để hạn chế sóng hài bậc cao, chia làm hai nhóm:
- Sử dụng bộ biến đổi đa cấp: Dạng sóng nấc thang vốn có sóng hài rất bé: Khi so sánh
dạng sóng nấc thang và thành phần cơ bản (bậc 1) tương ứng, có thể nhận xét là sóng hài bậc
cao không đáng kể kể cả ở tần số (n±1). f , n: số nậc thang. 0
Để thay đổi áp đầu ra, ta thay đổi độ rộng xung các bộ biến đổi một pha.
- Điều chế độ rộng xung (PWM): khi sử dụng nhiều xung cho một bán kỳ và có bề rộng
khácnhau, các sóng hài có tần số lớn hơn cơ bản f sẽ giảm nhanh, nhưng các thành phần ở tần 0 số > (n-
1) f0 có giá trị rất lớn. Điều này không ảnh hưởng lớn đến hoạt động của tải vì dòng điện của
sóng hài tương ứng không lớn. Tác dụng có thể là: gây tiếng ồn, nhiễu tần số cao, phát nóng trong lõi thép.
Có nhiều phương pháp: điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) cùng với các cải tiến,
triệt tiêu các hài chọn trước, dùng bộ so sành có trễ (điều rộng thích nghi), điều rộng vevtor không gian (SVPWM).
5.6. MẠCH ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU
5.6.1. Mạch tạo logic ba pha
(b) Các dạng sóng logic ba pha, mỗi (a) Mạch tạo logic ba pha
thời điểm có hai ngắt điện làm việc 102
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
Hình 5.23: Mạch tạo logic ba pha và dạng sóng
Hình 5.23 trình bày nguyên lý của mạch tạo ra logic ba pha, có thể được sử dụng trong
nghịch lưu nguồn dòng hay nghịch lưu nguồn áp đơn giản (điều chế độ rộng một hay nhiều
xung). Các sơ đồ điều chế xung hình sin hay điều khiển bằng vi xử lý cũng có những khối có
cùng chức năng để đảm bảo thứ tự của hệ ba pha.
CD4017 là vi mạch đếm vòng Johnson 10 trạng thái: sau mỗi xung đồng hồ CLK lần lượt
có một đầu ra lên 1 (Hình 5.23b), Q6 đưa về chân Reset để hệ thống chỉ còn 6 trạng thái tương
ứng với logic 3 pha. Các mạch OR tổ hợp các đầu ra bộ đếm làm thành các xung điều khiển
ngắt điện bán dẫn theo sơ đồ mỗi thời điểm có hai ngắt điện làm việc (trên Hình 5.23b vẽ tín
hiệu điều khiển hai ngắt điện S1 và S2, các ngắt điện khác cũng tương tự).
5.6.2. Mạch tạo áp chuẩn hình sin dùng ROM và DAC (biến đổi số tương tự)
Hình 5.24: Mạch tạo áp chuẩn hình sin và sóng mang răng cưa cho sơ đồ điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM)
Trong các sơ đồ SPWM hay điều khiển đầu ra bám theo hình sin chuẩn dung phần cứng,
hạt nhân của mạch điều khiển là bộ tạo hình sin có biên độ và tần số điều khiển được. Với sơ
đồ SPWM, hạt nhân này cũng cho ra dạng song tam giác có tần số là bội số và đồng bộ vớ hình
sin chuẩn. Điều này sẽ đảm bảo áp ra giống nhau ở các pha và loại bỏ khả năng có song hài ở
tần số thấp hơn tần số cơ bản (của hình sin chuẩn).
Trong mạch tạo áp chuẩn hình sin dung ROM và DAC, biên độ hình sin chuẩn và các
song tam giác được lấy mẫu (thực chất là tính toán) và chứa trong ROM. Để tái hiện lại các
dạng song, các giá trị này được đọc lại tuần tự và chuyển đổi ra tín hiệu tương tự (analog) bằng
DAC. Tần số tái hiện (playback) f được tổng hợp bằng bộ biến đổi điện áp-tần số VFC từ áp
điều khiển Uđk : f = k.Uđk = N. f , với k: hệ số tỉ lệ (Hz/volt); : tần số đầu ra mong muốn; N: O fO số mẫu
của một hình sin chuẩn.
f chính là tần số xung đồng hồ của bộ đếm chương trình PC cung cấp địa chỉ cho ROM
chứa giá trị bốn dạng song: ba cho hình sin ba pha và một cho song tam giác. Các DAC biến
đổi từ số ra điện áp, tạo ra các tín hiệu mong muốn. Để thay đổi biên độ các hình sin, DAC 103
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
được sử dụng là loại nhân và tín hiệu điều khiển biên độ được đưa vào chân áp chuẩn REF của nó.
Khối điều khiển điện áp ĐKU có thể đơn giản thực hiện quan hệ U/f = hằng số, hay gồm
cả việc bù giảm tốc theo tải.
Với sơ đồ Hình 5.24 ta có sự đồng bộ giữa các hình sin chuẩn 3 pha và song mang tam
giác. Vì chỉ có một song mang dung cho ba pha hình sin, tần số song mang f cần là bội sáu của C
tần số đầu ra fO để các dạng song đầu ra giống nhau. Điều này sẽ không thật sự cần thiết khi tỉ
số fC / fO khá lớn (vài chục).
Hình 5.25 là một ví dụ minh họa qui luật thay đổi fC theo fO (đường đậm trên hình) với
fCMAX = 600 Hz và fCMIN = 300 Hz. kC = fC / fO là bội số điều chế. Khi tần số bé hơn 12.5
Hz ta không cần có sự đồng bộ giữa hai tín hiệu. Một khó khăn khác phát sinh là khi kC thay
đổi, ció sự thay đổi không lien tục của song hài bậc 1 của điện áp ra.
Hình 5.25: Quan hệ tần số sóng mang fc và tần số đầu ra f0
5.6.3. Mạch điều khiển nghịch lưu dung chương trình ROM
Hình 5.26: Mạch điều khiển nghịch lưu dùng chương trình ROM
Với nhận xét trạng thái của các ngắt điện bán dẫn trong bộ nghịch lưu điều khiển độ rộng
xung là đóng hay ngắt một cách tuần tự có chu kỳ, không thay đổi nếu dạng sóng đầu ra không
đổi (như dạng sóng triệt tiêu có hài chọn trước đã khảo sát); có thể ghi trạng thái đóng ngắt sau
các khoảng thời gian bằng nhau của các ngắt điện thành chương trình của bộ nhớ chỉ đọc ROM.
Chương trình này sẽ được truy xuất tuần tự để điều khiển các ngắt điện của bộ nghịch lưu, tạo
ra dạng sóng mong muốn. Hình 5.26 trình bày một sơ đồ khối thực hiện nguyên lý này. Điện áp 104
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
điều khiển U đặt được biến thành tần số qua bộ biến đổi điện áp/ tần số VFC, làm xung nhịp
cho bộ đếm chương trình PC, là bộ phận cung cấp địa chỉ cho ROM. PC là bộ đếm nhị phân có
số trạng thái bằng số trạng thái tạo thành dạng sóng điều khiển nghịch lưu trong một chu kỳ áp
ra. Nội dung của ROM đã được tính toán sao cho đảm bảo áp ra có trị số mong muốn (điều
khiển áp) và sóng hài bậc cao bé (hạn chế hài bậc cao). Khi thay đổi U đặt, tần số xung nhịp PC
thay đổi và tần số đầu ra được thay đổi theo tỉ lệ.
Để thay đổi dạng sóng đầu ra theo tần số, ROM chứa nhiều dạng sóng ứng với các tần số
khác nhau và khối đo tần số sẽ thay đổi phần địa chỉ do nó quản lý để chỉ đến vùng dữ liệu
tương ứng. Có thể xem dạng sóng một chu kỳ ở một tần số là một trang và các trạng thái của
các ngắt điện trong một dạng sóng là những dòng trong một trang. Vậy PC cung cấp địa chỉ các
dòng và bộ đo tần số cung cấp địa chỉ trang. Tín hiệu đồng bộ từ PC yêu cầu bộ đo tần số chỉ
được phép thay đổi đầu ra ở đầu các trnag để tránh những thay đổi dạng sóng không kiểm soát. Ví dụ:
- Tần số đầu ra nghịch lưu f thay đổi từ 1..64: chọn mỗi Hz là một dạng song, suy ra O ROM có
64 trang dạng song, địa chỉ trang gồm 6 bit.
- Chọn mỗi dạng song có N = 255 trạng thái (chọn chia chẵn cho 3) có thể địa chỉ hóa
bằng 8 bit. Vậy PC là bộ đếm nhị phân 8 bit nhưng được reset ở trạng thái thứ 255 và ROM
cần 14 chân địa chỉ, tương ứng dung lượng là 128 Kbit hay 16 Kbyte.
- Tần số xung nhịp của PC là N. f
, cực đại bằng 255*64=16.32 kHz O = 255. fO
- Có thể sử dụng bộ đếm 6 bit để làm bộ đo tần số, thời gian mở cổng là 64/1320 =3.92
mili giây (đếm được 64 xung ở tần số xung nhịp bằng 16.32 kHz).
- Khi quy định sự thay đổi của biên độ U đặt và khoảng tần số đầu ra tương ứng, có thể
suy ra hệ số của VFC.
Ưu điểm của phương pháp này là có thể điều khiển điện áp và hạn chế sóng hài bậc cao
với chất lượng khá tốt trong khi mạch xử lý rất đơn giản. Nhược điểm lớn nhất là dạng sóng ở
mỗi tần số là đã định trước, không thể thay đổi theo điều kiện thực tế ví dụ như áp lưới giảm so
với tính toán, hay cần bù sụt áp theo tải,…. số dạng sóng là hữu hạn. 6.7. BIẾN TẦN
Biến tần là bộ biến đổi dòng điện xoay chiều của lưới điện thành dòng điện xoay chiều có
tần số khác với tần số của lưới điện. Biến tần hiện được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp
để điều khiển tốc độ động cơ AC. Đây là phương án hiệu quả nhất:
- Có thể sử dụng động cơ không đồng bộ rẻ tiền, chắc chắn.
- Điều khiển tần số động cơ AC là phương pháp có hiệu suất cao, chất lượng tốt.
Các bộ biến tần có mạch động lực đắt tiền, sơ đồ điều khiển phức tạp, chỉ được phổ biến
trong thời gian gần đây nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ chế tạo bán dẫn, ở cả lĩnh vực vi mạch và công suất.
Có hai dạng biến tần: Biến tần trực tiếp (cyclo-converter) và biến tần qua trung gian một chiều.
- Biến tần trực tiếp chính là bộ biến đổi đảo chiều (chỉnh lưu điều khiển pha đảo
chiều), được điềukhiển để có áp đầu ra thay đổi cực tính có chu kỳ: áp ra xoay chiều này
chỉ có thể có tần số khá bé so với tần số lưới điện. Bộ biến đổi đảo chiều Hình 5.27 có thể 105
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
làm thành một pha của bộ biến tần trực tiếp với thuật toán điều khiển thích hợp. Khi thay
thế SCR bằng ngắt điện có điều khiển khóa, ta có thể nhận được nhiều tính năng tốt hơn. (a)
Áp ra (một pha) biến tần trực tiếp sử dụng BBĐ đảo chiều hai cầu 3 pha, điều khiển
chungtuyến tính. , là hai góc điều khiển pha của hai bộ chỉnh lưu, thay đổi theo luật tam giác. (b)
Áp ra (một pha) biến tần trực tiếp sử dụng BBĐ đảo chiều hai cầu 3 pha sử dụng ngắt
điệnchuyển mạch cưỡng bức, tạo ra áp có tần số cao hơn tần số lưới điện.
Hình 5.27: Biến tần trực tiếp
- Biến tần có trung gian một chiều có sơ đồ khối như Hình 5.28, gồm hai bộ phận: chỉnh
lưu đầu vào và nghịch lưu ở đầu ra. Tổ hợp hai BBĐ này làm ra nhiều sơ đồ khác nhau với khả
năng và phạm vi sử dụng rất khác biệt. Thuật toán điều khiển biến tần cũng rất phong phú, và
hiện vẫn tiếp tục phát triển cùng với việc ứng dụng công cụ điều khiển mới nhằm nâng cao chất lượng hoạt động. 106
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
Hình 5.28: Biến tần có trung gian một chiều
Có hai loại: Biến tần với nghịch lưu nguồn dòng (NLND) và nghịch lưu nguồn áp
(NLNA). Các biến tần này cần đảm bảo các yêu cầu:
- Thực hiện được logic ba pha, thay đổi tần số ra.
- Điều khiển áp theo đặc tính của tải, ví dụ nếu tải động cơ phải đảm bảo mạch từ không
bão hòa bằng quan hệ U/f = hằng số như đã khảo sát.
- Hạn chế được song hài áp (dòng). Đặc tính này phụ thuộc vào sơ đồ động lực, điều khiển nghịch lưu.
Nguyên lý điều khiển động cơ AC dùng biến tần:
Khi tần số thay đổi, từ trường quay của các cuộn dây xtator có tốc độ thay đổi theo quan hệ 60.f no
; trong đó no tính bằng vòng/phút, f : tần số (Hz) và p là số đôi cực. p
Rotor sẽ quay theo từ trường quay với độ trượt s hầu như không đổi.
Có hai nguyên lý chính cho điều khiển động cơ không đồng bộ dung phương pháp thay đổi tần số:
- Điều khiển U/f hằng: khi tần số thay đổi, điện áp đặt vào cuộn dây cũng thay đổi tỉ lệ để
tránh việc tăng mật độ từ thong dẫn để tăng dòng từ hóa.
- Điều khiển vector động cơ KĐB:
Là phương án hiện đại, sử dụng các vi xử lý mới có khả năng tính toán rất mạnh để điều khiển động cơ KĐB.
Phương án này khắc phục nhược điểm quan trọng của các sơ đồ điều khiển U/f hằng là
momen động cơ thấp, đặc biệt khi tần số làm việc nhỏ hơn 3 Hz. BBĐ điều khiển U/f hằng chỉ
cung cấp cho động cơ một điện áp ba pha tương ứng tần số làm việc, dòng qua động cơ thay
đổi theo trạng thái của động cơ.
Bằng cách khống chế độc lập dòng từ hóa (tạo ra từ thong khe hở) và dòng rotor (tạo ra
momen quay), biến tần điều khiển vector có thể điều khiển được momen động cơ KĐB như đã
làm với động cơ một chiều, bên cạnh khả năng điều khiển tốc độ thong qua sự thay đổi tần số.
Có hai sơ đồ điều khiển vector: có phản hồi vị trí rotor (có cảm biến vị trí) và không dùng
cảm biến (sensorless). Sơ đồ đầu tiên cho phép điều khiển chính xác nhưng phải dùng động cơ
chế tạo riêng trong khi phương án sau có thể dung động cơ KĐB thong thường.
Khi biến tần được dung để điều khiển tốc độ động cơ, sơ đồ điều khiển còn có các chức
năng: hạn chế sụt tốc khi hoạt động, bảo vệ quá tải, điều khiển thời gian tăng, giảm tốc. 107
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần 5.8. ỨNG DỤNG
5.8.1. Các bộ nguồn tần số cao
Như đã giới thiệu trong mục phân loại, ta có thể nung nóng cảm ứng các vật liệu dẫn điện
bằng dòng điện cảm ứng. Dãy tần số làm việc thay đổi từ tần số công nghiệp đến vài trăm KHz:
- Tần số làm việc giảm khi công suất tăng.
- Tần số cần phải tăng khi bề dầy làm việc giảm (tôi bề mặt thép).
Có thể sử dụng NL nối tiếp hay song song với ngắt điện là thyristor trong các bộ nguồn
tần số cao. Ở tần số lớn hơn 100 KHz, có thể dung transistor hay các đèn chân không truyền thống.
Như đã khảo sát ở V.2, các sơ đồ NL song song có dạng NL nguồn dòng với tải cộng
hưởng là cuộn dây làm việc và điện dung bù cos cho nó. Trong thời gian gần đây, người ta bắt
đầu dung transistor với các sơ đồ có chuyển mạch khi dòng (áp) bằng không.
5.8.2. Bộ nguồn xung sử dụng nghịch lưu
Bộ nghịch lưu có thể dùng cho bộ cấp điện đóng ngắt, biến đổi điện một chiều thành xoay
chiều, cung cấp cho biến áp tần số cao. Nhờ đó kích thước và giá thành biến áp này và mạch
lọc đầu ra giảm đáng kể.
Mạch nghịch lưu có dạng sơ đồ nửa cầu khi công suất nhỏ hơn 500 W và sơ đồ cầu khi lớn hơn.
Trong Hình 5.29(a), T1 là biến áp giảm (tăng) áp, ta có đầu ra một chiều sau khi chỉnh lưu và
lọc phẳng. Để có áp ra ổn định, đầu ra được phản hồi để thay đổi độ rộng xung bộ nghịch lưu.
Với sơ đồ nửa cầu, điều khiển thong hoàn toàn được sử dụng. Do đầu ra biến áp được
chỉnh lưu, tải bộ nghịch lưu được xem là thuần trở.
Hình 5.29(b) là mạch điều khiển, tác dụng đẩy kéo (push pull – hay luân phiên dẫn điện
của S1 và S2) nhờ bộ chia hai dung flip-flop. Đây là hạt nhân của vi mạch TL494.
(a) Mạch nghịch lưu của bộ nguồn xung (sơ đồ nửa cầu) 108
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
(b) Mạch điều khiển nghịch lưu đẩy kéo (dùng trong bộ nguồn xung) Hình 5.29:
5.8.3. Bộ nguồn xoay chiều không gián đoạn UPS (bộ lưu điện)
Hình 5.30 trình bày sơ đồ khối bộ lưu điện (UPS – Uninterrupted Power Supply), được
sử dụng cho các thiết bị dung điện quan trọng không thể mất điện bất ngờ như máy chủ của
mạng máy tính hay các máy điện tử y tế. UPS sẽ cung cấp điện tạm thời khi mất lưới trong khi
chờ lưu dữ liệu đang làm việc hay cho chạy máy phát dự phòng. Sơ đồ khối bao gồm bộ nghịch
lưu sử dụng acquy axitvà bộ chuyển mạch (rơ le hay triac). Bình thường tải dùng điện lưới, chỉ
chuyển sang sử dụng nguồn nghịch lưu khi mất nguồn nên UPS có sơ đồ khối như vậy được gọi
là loại OFF-LINE. Thời gian chuyển mạch phải đủ bé, khoảng vài chục msec để tải xem như
được cung cấp điện không gián đoạn. Bộ nạp acquy axittự động đảm bảo hệ thống luôn sẵn
sang làm việc. Có loại UPS không có bộ chuyển mạch và bộ nghịch lưu luôn làm việc, như là
bộ biến tần có khâu trung gian một chiều với nguồn dự phòng là acquy axitở mạch một chiều (loại ON-LINE).
Ở các bộ UPS công suất bé (<1.5 kW), mạch nghịch lưu là một pha sử dụng biến áp có
điểm giữa, thích hợp với acquy axitcó điện áp bé (12V hay 24V). Áp ra được điều khiển bằng
cách thay đổi độ rộng xung. Một vi mạch tương tự TL494 có khả năng làm việc ở 50 Hz được
sử dụng cho điều khiển nghịch lưu (SG3524). 109
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 5. Nghịch lưu và biến tần
Hình 5.30: Sơ đồ khối của bộ nguồn không gián đoạn UPS CÂU HỎI ÔN TẬP 1.
Các bài tập đã cho trong các mục. 2.
Cho BBĐ điện áp một chiều và mạch điều khiển đã đơn giản hóa như hình
5.31a,trong đó U1D là mạch tạo xung tam giác trên tụ C (hình 5.31b ), U1C là mạch đảo,
U1A và U1B là hai mạch so sánh dùng khuếch đại thuật toán. Vẽ dạng áp ra vo, tìm quan hệ
trị trung bình áp ra Vo/V theo UĐK/UĐB (UĐB là biên độ xung tam giác). Nêu các đặc điểm
của phương pháp điều khiển này.
Để đơn giản, cho áp ra bão hòa của Khuếch đại thuật toán là áp nguồn VCC và sụt áp qua
các mối nối transistor bằng 0. (a) (b) Hình 5.31: 110
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
- R2, ZD tạo điện áp chuẩn, UE(Q2) = Uch.
- R3, R4 là bộ phân áp hồi tiếp (còn gọi + Q +
là mạch lấy mẫu điện áp ra). 1 R R 1
1, Q2, ZD tạo thành mạch phân cực điều C 1 R 3 khiển Q , với điều
1, C1 nối song song R3 Q kiện Z 2
C1 << R3 thì bộ ổn áp này còn là bộ UV R Ur
lọc tích cực đối với thành phần xoay 2 R chiều ở đầu ra. 4 Uht
Hình 6.5: Bộ ổn áp nối tiếp có ZD Uc h
khuếch đại so sánhRt
Nguyên lý hoạt động của mạch
Khi UV tăng (hoặc Rt tăng), có xu hướng làm Ur tăng, qua mạch phân áp hồi tiếp (mạch lấy mẫu) ta có: R4Uch UBE Q 2 (6.5)
Uht UB Q 2 Ur . R3 R4
Ur tăng thì Uht tăng, trong khi Uch không thay đổi, nên UBE(Q2) tăng làm Q2 tăng độ dẫn
khiến dòng IC(Q2) tăng, dòng IC(Q2) chạy qua R1 làm sụt áp trên R1 tăng và UB(Q1) giảm, Q1 giảm
độ dẫn (tương ứng với r ) tăng, kéo
CE(Q1) tăng) kết quả là điện áp rơi trên Q1 (UCE(Q1) Ur trở lại giá trị định mức. Khi U giảm (hoặc
giảm) thì quá trình diễn biến ngược lại. V Rt
Với sơ đồ hình 6.5 ta có: R3 Ur Uch UBE 1 R4 (6.6)
Mạch hình 6.5 có điện áp ra cố định, muốn điện áp ra điều chỉnh được, ta mắc nối tiếp
một điện trở biến đổi VR1 vào bộ phân áp R3, R4 như hình 6.6. R 3 Mạch ổn
Hình 6.6: Bộ phân áp hồi tiếp có Q 2 VR Ur
định nhưtrên hình chiết áp điều chỉnh điện áp ra. 1
6.5 ổnđịnh tốt đối vớitải thay đổi, cònkhi U thay đổi V Uht thì tác R
dụng ổn định không tốt lắm (K 4 u 20) vì khi UV thay đổi thì 111
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn dòng qua R
thay đổi. Để khắc phục điều này, ta thay chức năng của
2 thay đổi theo làm IZ R1, R2
bằng một nguồn dòng, như hình 6.7.
Nguồn dòng bao gồm các linh kiện Q3, ZD2, R5, Re. UZD2 = URe + UEB(Q3) = const và Re là
điện trở cố định nên UBE(Q3) không đổi do đó IB(Q3) và IC(Q3) không đổi.
Dòng colectơ của Q3 được xác định: UZD2 UBE Q 3 IC + Q + 1 Q 3 Re ZD R 2 3 Q 3 C 1 UV Ur Q 2 VR 1 R 5 ZD R 1 4 Re (6.7)
Với mạch ổn định hình 6.7 thì hệ số ổn định Ku = 10.000 100.000 lần.
Hình 6.7: Bộ ổn áp có hồi tiếp với nguồn dòng
6.3.4. Bộ ổn áp với hiệu chỉnh nối tiếp, dùng IC KĐTT làm bộ khuếch đại so sánh
Muốn tăng hệ số ổn định của bộ ổn áp mà không phải dùng nguồn dòng, ta dùng IC
khuếch đại thuật toán OP-Amp làm bộ khuếch đại so sánh như sơ đồ hình 6.8. Vì IC OP-Amp
có hệ số khuếch đại rất lớn so với transistor, nên ta dùng IC OP-Amp làm bộ khuếch đại so
sánh thì hiệu quả ổn định sẽ rất cao. + Q + 1 R 1 R 2
Hình 6.8: Bộ ổn áp + dùng IC OP-Amp UV Ur OP-Amp Ur (IC ZD ) Uht R 3
Trong sơ đồ hình 6.8, Q1 là PTHC, IC OP-Amp làm bộ khuếch đại so sánh, R1, ZD tạo
điện áp chuẩn đưa vào đầu (+) của IC, điện áp chuẩn được tạo từ điện áp đầu ra của mạch, nên
có độ ổn định rất cao, U(+) = UZD = Uch. 112
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
R2, R3 tạo thành bộ phân áp hồi tiếp đưa vào đâu (-) của OP-Amp; U(-) = Uht.
Nếu muốn điện áp ra điều chỉnh được ta thay phân áp R2, R3 bằng bộ phân áp có chiết áp VR1 như sơ đồ hình 6.9.
Điện áp ra của bộ ổn áp:
R2 Uch UBE Q 1 (6.8)
Ur Ur IC UBE Q 1 1 R3
R2 Uch (đã chứng minh trong Điện tử tương tự) với Ur IC 1 R3 R2 trong đó 1
là hệ số khuếch đại
của OP-Amp và Uch = UZD. R3
Khi dòng tải yêu cầu lớn, đòi hỏi PTHC phải có công suất lớn, để đạt được điều này, ta
dùng PTHC nối theo mạch Darlington như hình 6.9. + Q Ir + 1 R 1 R 2 Q
Hình 6.9: Bộ ổn áp dùng 2 +
PTHC là sơ đồ Darlington UV Ur VR 1 OP-Amp
Ur ( IC ) ZD R 3 Dòng ra tải I
là dòng cực gốc lớn nhất của
r = 2. 1.IB2max; IB2max
Q2, 1, 2 là hệ số khuếch
đại dòng của Q1, Q2.
Sơ đồ Darlington vừa cho ra dòng cao, vừa có trở kháng vào lớn, nên tải thay đổi nhiều
cũng không ảnh hưởng đến điện áp đầu ra của OP-Amp, nên Ur rất ổn định.
Sơ đồ hình 6.9, dòng ra vẫn giới hạn bởi dòng collector của Q1. Muốn dòng tải cao hơn
nữa ta dùng PTHC là các transistor công suất nối song song như hình 6.10. Khi 113
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn sử Qn Ren Re Q 2 + 2 + Re R Q 1 1 R 2 1 + Ur UV VR 1 OP-Amp ZD R 3
Hình 6.10: Bộ ổn áp có dòng ra cao
dụng vi mạch khuếch đại thuật toán cần nhớ rằng dòng ra của nó bị hạn chế < 20mA, nên khi
dùng n transistor mắc song song, sao cho tổng các dòng cực gốc của các transistor không vượt
quá 20mA: n.IBmax 20mA, nhằm tránh quá tải cho IC.
Khi mắc các transistor song song, phải dùng các transistor có các thông số giống nhau
(cùng tên) và mắc nối tiếp với cực E của mỗi transistor một điện trở R để tự điều chỉnh cho E
dòng qua các transistor bằng nhau.
6.3.5. Các mạch bảo vệ hạn chế dòng, áp
Các linh kiện bán dẫn rất nhạy cảm với dòng lớn, khi dòng qua các linh kiện bán dẫn lớn
thì công suất tiêu tán trên nó lớn và nhiệt độ của lớp tiếp xúc tăng đến một giới hạn thì dòng
qua lớp tiếp xúc bán dẫn không còn điều khiển được, do đó bán dẫn chịu quá dòng, quá áp kém.
Vì vậy trong các mạch ổn áp sử dụng các transistor công suất làm PTHC thì phải có thêm các
mạch bảo vệ để tránh quá tải (quá dòng) cho phần tử hiệu chỉnh và bảo vệ tải khi PTHC bị sự cố ngắn mạch.
1) Các mạch bảo vệ quá tải cho PTHC
a) Mạch bảo vệ thụ động
Trên sơ đồ hình 6.3, điện trở công suất R2 mắc nối tiếp với PTHC Q1 và với tải, nhằm
giảm điện áp rơi trên Q , khi dòng tải tăng và nhất là khi bị ngắn mạch đầu ra ( 1 Rt = 0), thì toàn
bộ công suất của nguồn vào đều đặt trên R
. Trường hợp này nếu không có R 2 và trên Q1 2 thì Q1
sẽ tiêu hao toàn bộ công suất của nguồn vào khi đầu ra ngắn mạch, Q1 sẽ bị quá tải, dẫn đến dễ
bị phá hỏng. R2 tránh quá tải cho Q1 một cách thụ động. Khi mạch làm việc bình thường thì R2
cũng tiêu hao năng lượng của nguồn, vì vậy hiệu suất của bộ ổn định thấp, mạch bảo vệ thụ
động chỉ sử dụng trong các bộ ổn định công suất nhỏ.
b) Mạch bảo vệ tích cực+ Dùng transistor: 114
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn IT R Q 3 1 + + R 1 Q 2 Q R 4 4 R 2 IC 4 Uv Q VR Ur 1 3 Uc ZD Uc R 5 h h
Hình 6.11: Mạch hạn chế dòng (mạch bảo vệ tích cực)
Trong sơ đồ hình 6.11, Q1, Q2 là PTHC, Q3 khuếch đại sai lệch.
Q4, R3 là mạch bảo vệ tích cực làm nhiệm vụ hạn chế dòng cho PTHC (Q1, Q2). R3 là điện
trở cảm biến dòng, R , điện áp rơi trên . Trị số
3 nối giữa cực B và E của Q4
R3 phân cực cho Q4
của R3 sao cho trong điều kiện dòng tải bình thường, điện áp rơi trên Re URe < 0,7 V, chưa đến
ngưỡng dẫn của Q4 và Q4 không có tác dụng trong mạch. Khi dòng tải It tăng, điện áp rơi UR3
tăng theo cho đến khi UR3 0,7V thì Q4 dẫn, dòng IC4 chảy qua R1 làm điện áp rơi trên R1 tăng
và điện áp cực gốc Q
giảm độ khuếch đại và điện trở tương đương góp –
2 giảm, Q2, Q1 phát Q1
tăng, điện áp rơi trên Q
trở lại giá trị bình thường.
1 tăng làm điện áp ra giảm, kéo dòng tải It
R3 trong sơ đồ hình 6.11 so với sơ đồ hình 6.3, R3 có trị số nhỏ hơn nhiều so với R2, nên
tổn hao ít hơn, và R3 có tác dụng điều chỉnh độ dẫn của Q1, Q2 trong khi R2 của sơ đồ hình
6.11chỉ đơn thuần giảm công suất tiêu tán cho Q1.
+ Dùng diode: ta cũng có thể dùng diode làm mạch hạn chế dòng để thay thế cho transistor
như trong sơ đồ hình 6.12 IT Q R 3 1 + Mạch + hạn chế V 0 ,6 dòng R R gồm 1 4
D 1 , D 2 , R D 3 . 1 D 2 Uv Q VR Ur 1 2 R Khi 2 dòng tải Uht bình thường, Uc ZD R 5 điện áp h rơi trên
R 3 ; U R3 < 0,7V,
Hình 6.12: Dùng diode để hạn chế dòng do đó UBE1 +UR3 <
1,4V thì 2 diode D1, D2 không thông, khi dòng tải tăng cho đến khi UR3 0,7V dẫn đến UBE1 + U , do đó
R3 1,4V thì D1, D2 thông, dòng chảy qua D1, D2 làm tăng điện áp rơi trên R1 UB1 giảm,
Q1 giảm độ dẫn sẽ kéo dòng tải trở lại giá trị bình thường.
2) Mạch bảo vệ quá áp cho tải
Các bộ ổn định điện áp có hệ số ổn định lớn thì điện áp đặt vào bộ ổn định có thể biến
đổi trong một phạm vi rộng, Uv lớn nhất có thể lớn hơn nhiều điện áp danh định trên tải (Ur).
Nếu PTHC bị sự cố ngắn mạch thì điện áp trên tải tăng đột biến bằng Uv lớn nhất đó, sẽ gây 115
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
nguy hiểm cho tải. Vì vậy, các bộ ổn định có hồi tiếp công suất lớn thường có mạch bảo vệ quá
áp ở đầu ra để bảo vệ tải khi PTHC bị ngắn mạch. + F + Trên sơ PTHC đồ hình 6.13 , mạch Hạn dòng bảo vệ quá áp ZD Khuếch đại cho tải Hồi tiếp SRC bao sai lệch UV gồm Z D , Ur R và R thyristor SCR. Tạo áp chuẩn Mạch bảo vệ Diode quá áp Zener Z D có
điện áp Hình 6.13: Bộ ổn áp 1 chiều có hồi tiếp, có mạch bảo vệ quá áp U lớn Z hơn điện áp
U lớn nhất (khi mạch có điều chỉnh điện áp ra từ r
Urmin Urmax), nên trong dải vận hành bình
thường thì diode ZD không thông, điện áp rơi trên điện trở R bằng không và thyristor SCR
không thông, mạch bảo vệ quá áp không làm việc. Khi PTHC bị ngắn mạch, hay một nguyên
nhân gì làm Ur vượt quá Urmax làm ZD thông, dòng qua ZD đặt trên điện trở R một điện áp mở
thyristro SCR, thyristor SCR thông, kéo điện áp ra xuống bằng điện áp thuận của thyristor
khoảng từ 1 1,5V và tải được an toàn. Khi đó, dòng qua SCR lớn và cầu chì F ở đầu vào sẽ chảy ngắt mạch.
6.4. BỘ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP DÙNG VI MẠCH TÍCH HỢP 3 CHÂN
6.4.1. Giới thiệu chung về vi mạch tích hợp 3 chân -
Sự ra đời của các vi mạch tích hợp 3 chân đã làm cho cấu trúc
các bộ ổn định điện áp1 chiều trở nên đơn giản và thuậnh lợi hơn rất nhiều.
Các vi mạch có 3 cực: cực vào (IN); cực ra (OUT) và cực chung (COMMON) hoặc cực điều chỉnh (adjustment). -
Có loại vi mạch được chế tạo theo các mức điện áp ra tiêu chuẩn dương hoặc âm -
Có loại vi mạch được chế tạo để điện áp ra điều chỉnh được trong một phạm vi rộng
Các loại vi mạch có mức điện áp ra tiêu chuẩn dương có các ký hiệu: XX78XX; XX78MXX; XX78LXX. Trong đó: -
Số 78 là họ ổn áp dương -
Trước số 78 có 2 chữ do hãng chế tạo đặt, ví dụ AN, LA, KA,… -
Nếu sau số 78 là 2 con số chỉ điện áp ra là loại vi mạch có dòng ra cực đại1,5A. -
Nếu sau số 78 là chữ M thì dòng ra cực đại là 500mA. -
Nếu sau số 78 là chữ L thì dòng ra cực đại là 100mA. 116
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
Ví dụ: AN7805; KA7812 là các vi mạch ổn áp dương có mức điện áp ra +5V và +12V,
dòng ra cực đại là 1,5A.
AN78M08; KA78L09 là các vi mạch ổn áp dương có mức điện áp ra +8V và +9V dòng
ra cực đại của 2 vi mạch đó là 0,5A và 0,1A.
Các loại vi mạch có mức điện áp ra tiêu chuẩn âm có các ký hiệu XX79XX; XX79MXX; XX79LXX. Trong đó: -
Con số 79 là họ ổn áp âm -
Còn các ký hiệu khác giống như họ 78
Các vi mạch họ 78, 79 thường chế tạo theo các mức điện áp ra từ 3V; 5V; 8V; 9V;
12V; 15V; và 24V (dấu + cho họ 78, dấu – cho họ 79).
Điện áp vào cực đại của chúng là 35V và công suất tiêu tán lớn nhất của vi mạch là 15 W. -
Các loại vi mạch 3 chân mà điện áp ra ổn định và điều chỉnh trong
một phạm vi rộngnhư các loại LM317; LM238, có mức điện áp ra dương và
điều chỉnh được từ 1,2V đến 37V, với dòng ra cực đại 1,5A và làm việc với
điện áp 1 chiều đầu vào cực đại 40V, công suất tiêu tán lớn nhất 15W.
Hình dáng bên ngoài và bố trí chân cực của các IC ổn áp như hình 6.14a, b, c. Miếng kim Vỏ chất loại tản dẻo nhiệt Vỏ chất dẻo Điều Vào Vào Ra Chung Ra chỉnh Chung Vào Ra (a) Họ 78
(b) Họ 79 Miếng kim loại
(c) Điện áp ra điều chỉnh được tỏa nhiệt
Hình 6.14: Hình dáng bên ngoài và bố trí chân của các loại vi mạch ổn định 3 chân
Cấu trúc bên trong của các loại vi mạch ổn định 3 chân như các hình dưới. 117
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
Hình 6.15: Cấu trúc của IC ổn
Hình 6.17: Cấu trúc của IC ổn
định họ ổn áp dương và điện
định có điện áp ra điều chỉnh áp ra tiêu chuẩn XX78XX được
Hình 6.16: Cấu trúc của IC ổn
định họ ổn áp âm và điện áp ra tiêu chuẩn XX79XX
Cấu trúc chung của các IC ổn định kiểu 3 chân bao gồm:
- 1 transistor làm phần tử hiệu chỉnh. - 1 mạch so sánh.
- 1 mạch tạo điện áp chuẩn dùng nguồn dòng.
- 1 mạch bảo vệ hạn chế dòng.
Các mạch so sánh đều là mạch khuếch đại với hồi tiếp 100% nên có hệ số khuếch đại bằng
1. Vì vậy điện áp giữa chân ra và chân chung (với IC họ 78, 79), điện áp giữa chân ra với chân
điều chỉnh (loại IC có điện áp ra điều chỉnh) bằng điện áp chuẩn (điện áp của diode Zener). Do
đó, với 2 loại vi mạch họ 78, 79, mỗi loại vi mạch ứng với một mức điện áp ra nên mỗi loại có
một diode Zener riêng. Còn loại vi mạch có điện áp ra điều chỉnh được đều dùng diode Zener
tạo áp chuẩn có UZ = 1,25V.
6.4.2. Các mạch ổn định điện áp dùng vi mạch tích hợp 3 chân D D 118
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn 1 3 2 3 XX78XX XX79XX vào ra vào ra Chung 2 Chung 1 C C 1 C 2 C 3 1 C 2 C 3 UV Ur UV Ur
Hình 6.18: Sơ đồ nối mạch ổn định điện áp dùng vi mạch 78 và 79
Ở đầu vào và đầu ra có nối các tụ C1, C2 có trị số từ 10 100nF để ngắn mạch các xung
nhiễu cao tần, không ảnh hưởng đến sự làm việc của các vi mạch, đầu ra có các tụ lọc C2 là tụ
hóa để ngắn mạch các thành phần xoay chiều tần thấp của tải.
Các vi mạch ổn định chịu điện áp ngược kém trong trường hợp đầu ra hở mạch trước khi
đầu vào cắt nguồn hoặc ngắn mạch, thì điện áp đầu ra vẫn được tích trên C2 còn Uv = 0, lúc này
vi mạch chịu điện áp ngược (U
), để tránh hiện tượng này, người ta nối 1 diode r > Uv D giữa đầu
vào và đầu ra của vi mạch theo phân cực ngược, và C3 sẽ phóng qua diode D và nguồn dòng
làm cho UR giảm nhanh. Diode D có vai trò bảo
vệ vi mạch, chống điện áp ngược D cho vi mạch. 2 3 LM317
Đ i ề u ch ỉnh R 1 1 ( ADJ)
Hình 6.19: Sơ đồ nối mạch ổn định UV a C điện áp dùng vi VR C 2 1 1
mạch điều chỉnh được Ura Ur
Các sơ đồ ổn định điện áp dùng các vi mạch có điện áp ra điều chỉnh được trong phạm vi
rộng như hình 6.19 điện trở R1 nối giữa chân ra và chân điều chỉnh gọi là điện trở lập trình, chiết
áp VR1 nối giữa chân điều chỉnh với điểm chung của mạch để xác định (điều chỉnh) điện áp ra.
Dòng qua R1 chính là dòng qua VR1. U 1,25V UR1 ch IR
(vì dòng tại chân điều chỉnh là rất nhỏ (50 A) nên bỏ qua và 1 R1 R1 R1
dòng qua R1 bằng dòng qua VR1).
Điện áp giữa chân điều chỉnh với điểm chung (U ) gọi là điện áp điều chỉnh Uđc VR1
Ur UR1 UVR1 Uch Udc Uch 119
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
URch1 .VR1 Uch. 1 VRR11 R1 Vì Uch = 1,25V nên Ur 1,25 1 V R1 (6.9)
Tất cả các IC ổn định, để chúng có thể làm việc được trong giải ổn định thì điện áp đầu vào thấp nhất Uvmin = Ur + 1,5V (6.10)
Nếu điện áp đặt vào thấp hơn thì transistor hiệu chỉnh trong vi mạch sẽ chuyển sang trạng
thái bão hòa, khi đó mạch không còn ổn định được nữa.
6.4.3. Các mạch nâng cao điện áp ra và dòng ra
Các họ vi mạch 78 và 79 đều có mức điện áp ra cố định, nếu tải cần điện áp ra cao hơn
điện áp ra của vi mạch sẵn có, thì ta có sơ đồ mạch như hình 6.20a, b. Vào Ra 1 3 Vào Ra 1 3 XX78XX XX78XX IR Chung 1 Chung R 2 1 Ichu UV 2 C ng C 1 C 3 C IZ 1 C 3 C 4 4 C C R 2 ZD 2 2 UV Ur Ur a) b)
Hình 6.20: Sơ đồ nâng cao điện áp ra
Từ sơ đồ a) ta có: Ur Ur IC UZ Ur IC
Chọn diode Zener có I
. Các vi mạch họ 78, 79 có dòng chân chung, Z Ichung R1 Ichung = 0,004A.
Sơ đồ b): Ur = UR1 + UR2 = Ur(IC) + UR2 Ur IC UR2 R1 0,004 R2 (6.11)
Sơ đồ hình 6.21 là mạch nâng cao dòng ra. Các vi mạch ổn định có dòng ra thấp (tối đa
1,5A) ta muốn dòng cấp cho tải lớn hơn dòng ra của vi mạch còn điện áp ra tải ổn định bằng
điện áp ra của vi mạch, ta nối mạch theo sơ đồ hình 6.21. + T1 IT1 Ir + 120
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
Hình 6.21: Sơ đồ nâng cao dòng ra. I R ( IC )
Trong sơ đồ dùng thêm một C 1 1 XX78XX
transistor công suất T , cùng với UV Ur 1 C
transistor hiệu chỉnh trong vi 4 C
mạch tạo nên một biến thể của sơ 2 C 3
đồ Darlington, ta có Ir = I(IC) + IT1
6.5. NGUỒN ỔN ÁP ĐỐI XỨNG
Nguồn ổn áp đối xứng (còn gọi là nguồn ổn áp lưỡng cực) thường được sử dụng rất nhiều
như nguồn cấp cho các mạch dùng vi mạch khuếch đại thuật toán, mạch số…
Nguồn ổn áp đối xứng là nguồn có 2 điện áp ra ổn định có giá trị bằng nhau, có cực tính
ngược nhau và đối xứng qua điểm chung.
Để có nguồn ổn áp đối xứng thì cần phải có nguồn đối xứng, ta có thể tạo ra nguồn đối
xứng từ nguồn một chiều hoặc từ nguồn xoay chiều như hình 6.22a, b. + + + U V C 2 1 0 UV + U V C 2 2 a) b)
Hình 6.22: Tạo nguồn đối xứng
Nếu tải cần công suất lớn (dòng lớn) ta dùng sơ đồ ổn áp đối xứng là transistor như sơ đồ hình 6.23.
Trong sơ đồ: các transistor T1, T2 và T'1, T'2 là phần tử hiệu chỉnh của 2 vế, theo mạch
Darlington để tăng dòng ra. -
T3, T4, R2 và T'3, T'4, R'2 là bộ so sánh dùng mạch khuếch đại vi sai.
R1 và R'1 định thiên ban đầu (khi đóng nguồn đầu vào) cho T4 và T'4.
R3, ZD1 và R'3, Z'D1 tạo điện áp chuẩn cho các bộ khuếch đại vi sai của 2 vế. Sau khi có Ur
thì tạo điện áp chuẩn từ điện áp ra qua D1 và D'1.
R4, VR1, R5 và R'4, VR'1, R'5 là phân áp hồi tiếp từ đầu ra 2 vế về các bộ so sánh.
Các chiết áp VR1 và VR'1 để điều chỉnh Ur(+), Ur(-) là 2 chiết áp đồng trục. 121
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn UV + 122
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
6.6. MẠCH ỔN DÒNG
Các mạch ổn dòng (hay còn gọi là nguồn dòng cố định) cung cấp cho tải một dòng cố
định khi tải thay đổi hoặc điện áp vào thay đổi.
6.6.1. Mạch ổn dòng dùng transistor R + 1 E T C 1 -
Hình 6.25: Mạch ổn dòng IE It B ZD dùng Ur transistor UV Rt R Uc 2 h
Một transistor công suất loại P-N-P nối tiếp với tải theo mạch cực gốc chung – với vai trò là PTHC. -
R1 nối tiếp với cực Emitter của T1 có nhiệm vụ hiệu chỉnh điện áp UEB của T1 khi
dòng IE biến đổi vì nhiệt và giảm công suất tiêu tán T1 khi tải giảm quá nhỏ hay ngắn mạch tải.
Diode Zener ZD nối giữa đường nguồn vào với cực B của T1 cùng với R2 tạo áp chuẩn cho T1. Tính dòng tải: It Ic IE UR1 U ch UEB (6.12) R1 R1
(vì dòng IB<< nên ta coi IE=IC)
Từ (5.14) ta thấy dòng tải chỉ phụ thuộc vào điện áp chuẩn của Zener Uch, vào UEB và R1,
mà không phụ thuộc vào điện áp đặt vào U . Còn các số hạng:
V và điện trở Rt
R1 là cố định, Uch
là điện áp ổn định của Zener và UEB ổn định tốt theo các thông số thiết kế trong giải làm việc
của mạch khi Rt biến đổi.
Tuy nhiên, khi UV biến đổi thì Uch cũng thay đổi nhỏ và UEB biến đổi từ 0,6V 0,7V, nên
dòng tải cũng biến đổi ít khi Uv thay đổi.
6.6.2. Mạch ổn dòng dùng IC ổn định 3 chân
Có thể dùng các loại vi mạch ổn áp 3 chân như các họ ổn áp dương, ổn áp âm (họ 78 và
79) hoặc họ ổn áp có điện áp ra điều chỉnh được (LM317, 238) làm mạch ổn dòng, có sơ đồ như hình 6.26. 123
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
Hình 6.26: Mạch ổn dòng + Vào 3 2 Ra LM317
dùng IC ổn áp 3 chân UV IR 1
Đ i ề u ch ỉnh 1 R ( ADJ ) 1 It Ur C Nối điện trở Rt R 2 C 3
1 giữa chân ra và chân điều
chỉnh (ADJ) (với họ 78 thì R1 nối giữa chân ra với
chân chung) giá trị điện trở R1 xác định dòng tải (với loại LM317 hay LM238), dòng tại chân
điều chỉnh 50 A là rất nhỏ, nên bỏ qua), ta có: UR1 Uch 1,25V It IR1 (6.13) R1 R1 R1
Khi dùng vi mạch ổn áp 3 chân làm mạch ổn dòng thì hiệu suất thấp, nhất là với các họ 78, 79.
PRt PRt .100 % (6.14) % Pv
PRt PR1 PIC Trong đó:
PV tổng công suất mạch nhận từ nguồn, PRt: công suất cấp cho tải.
P : công suất tổn hao trên R1 R1. P : công suất tổn IC hao trên vi mạch.
6.7. NGUỒN ỔN ÁP MỘT CHIỀU KIỂU CHUYỂN MẠCH
6.7.1. Khái niệm về nguồn ổn áp kiểu chuyển mạch
Vào giữa những năm 70 của thập kỷ 20 đã ra đời một loại nguồn ổn áp mới đó là nguồn
chuyển mạch (Switching Power) (còn gọi là nguồn ổn áp xung). Nguồn cấp điện kiểu chuyển
mạch đã khắc phục được tất cả các nhược điểm của bộ nguồn ổn áp tuyến tính.
Trước hết ta khảo sát ví dụ hình 6.27 để biết được khái niệm về nguồn chuyển mạch. u L T 1 1 + Ur 1 iT Ir 1 Uv Mạch điều D khiển 1 C 1
Hình 6.27: Mô tả khái niệm về nguồn chuyển mạch 124
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
Chức năng các phân tử trong mạch hình 6.27:
+ Transistor T1 làm nhiệm vụ chuyển mạch nhanh dưới sự điều khiển của mạch điều khiển,
để biến điện áp một chiều đầu vào Uv thành chuỗi xung vuông tại cực E.
+ Điốt ghim (free-weeling diode) làm nhiệm vụ ghim mức điện áp đặt trên T1 không vượt
quá điện áp UV khi T1 tắt, và đảm bảo dòng ra Ir là liên tục khi T1tắt.
+ L1 là cuộn chặn phải có trị số điện cảm đủ lớn, cùng với C1làm thành bộ lọc L C1 1 để
tạo điện áp một chiều U với hệ số gợn sóng cần thiết. r
+ Mạch điều khiển: tạo chuỗi xung vuông chu kỳ T điều khiển T1. Xung điều khiển đặt
trên 2 cực B và E của T1.
Nguyên lý hoạt động của mạch:
Khi xung điều khiển mức cao (Hình 6.28) (thời gian mở: tm ), T1thông bão hoà (T1 mở), có
dòng iT1từ Uv qua T1, L1, tải, giả thiết lúc T1 mở, sụt áp trên T1 bằng 0, và điện áp u1 bằng Uv
(Hình 6.28). Dòng iT1qua cuộn chặn L1, cuộn chặn L1tích năng lượng dưới dạng từ và D1tắt do phân cực ngược.
Khi xung điều khiển mức thấp, T1 đóng (hay ngắt), iT1 về 0, lúc này trên L1 xuất hiện sức
điện động tự cảm làm D1 phân cực thuận và dẫn, có dòng iD1 khép kín qua tải (Hình 6.28d). 125
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn Uđk a) u T 1 Uv tm ( ) b) tt i T1 I 2 I 1 c) i D1
I 2 I 1 d) i L1 Ir e)
Hình 6.28: Các dạng điện áp, dòng điện tại các điểm của mạch hình 6.28
Ta có Ir iT1(khi T1 đóng) iD1 (khi T1 mở) là liên tục và bằng phẳng nhờ có bộ lọc đầu ra
L C1 1 (hình 6.28e). Điện áp ra Ur là điện áp trung bình của điện áp u1 hay là giá trị DC. tm Uv (6.15) Ur Uv T T
trong đó Uv là trị số điện áp một chiều (DC) đầu vào, tm thời gian chuyển mạch T1 mở
hay độ rộng ; T chu kỳ mở T1.
Khi T1 thông, điện áp u1 tăng đột biến bằng Uv và giữ nguyên giá trị trong thời gian T1
thông, lúc T1 bắt đầu tắt, u1 giảm đột biến về 0, dạng điện áp U1 giống dạng điện áp điều khiển.
Dạng dòng chuyển mạch iT1 qua cuộn chặn L1 không giống như dạng điện áp U1, vì dòng
chuyển mạch qua cuộn cảm, do tính chất của cuộn cảm nên dòng qua cuộn cảm không tăng và
giảm một cách đột biến. 126
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
Khi T1 mở, giả thiết ở thời điểm đó, sụt áp trên T1 bằng 0 nên có 1 điện áp không đổi trên
L1 là Uv Ur với điện áp không đổi trên L1, dòng qua nó tăng một cách tuyến tính từ I1 đến I2 với tốc độ U didtL1 Uv L r 1
, điều này giải thích cho dòng iT1 qua cuộn chặn L1 tăng tuyến tính như hình 6.28c.
Khi T1 đóng, điện áp (sức điện động tự cảm) trên L1 phân cực ngược ngay, để cố duy trì
dòng I2 mà đã chảy qua trước khi T1 tắt. Sự phân cực ngược này gọi là tác động ngược của cuộn
cảm L1, nhờ có điốt D1 mà lúc này điện áp ở điểm trước của L1 (điểm bên trái L1) được chốt ở
mức (-1V) so với đất (điện áp thuận trên điốt là 0,7V, lấy tròn là 1V), và điện áp phân cực ngược
trên L1 lúc này là Ur 1, điện áp này tạo một dòng iD2 giảm từ I2 đến I1 một cách tuyến tính với
tốc độ did1 Ur 1 như trên hình 6.28d. dt L1
Dòng qua L1 là iL1 là tổng của dòng T1 lúc mở và qua iD1 lúc T1 tắt là dạng răng cưa như
hình 6.28e, và Ir là dòng trung bình của IL1,Ir là thành phần một chiều thuận tuý nhờ bộ lọc L C1 1.
Nếu không có D1 thì khi T1 tắt, điện áp đột biến đặt trên T1 sẽ là U , điện áp v UL1 Ur
đột biến trên L1 rất lớn làm transistor chuyển mạch T1 dễ bị phá hỏng. Khi có D1 thì điện áp tại
cực E của T1 được ghim ở mức (-1V) so với điểm đất, do đó điện áp mà T1 chịu đựng khi nó tắt
chỉ là Uv 1 , vì vậy D1 có tên là điốt ghim (free-weeling diode). Các bộ nguồn hoạt động
theo chu kỳ đóng-mở để biến đổi từ điện áp một chiều thành một chiều như hình 6.27 thì gọi là nguồn chuyển mạch.
Nhắc lại công thức tính điện áp một chiều đầu ra ở biểu thức 6.15: U ; trong đó r Uv
được gọi là hệ số lấp đầy. T T
Ta thấy điện áp một chiều đầu ra U ; độ rộ
r phụ thuộc điện áp một chiều đầu vào Uv ng
xung điều khiển và chu kỳ xung điều khiển T. 127
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
Muốn Ur không đổi khi Uv thay đổi, hoặc muốn Ur điều chỉnh được khi Uv không đổi, ta
thay đổi hệ số lấp đầy .
Có 3 phương pháp điều khiển :
- thay đổi và giữ nguyên T.
- thay đổi T và giữ nguyên .
- thay đổi kết hợp cả T và .
Phương pháp thay đổi và giữ nguyên T, được gọi là phương pháp "điều chế độ rộng
xung" (Pulse-Width Modulation PWM). Phương pháp điều chế động rộng xung được sử dụng
phổ biến nhất trong các bộ ổn áp kiểu chuyển mạch.
Khi điện áp Uv tăng, có xu hướng điện áp Ur có thể tăng hoặc khi tải giảm, xu hướng Ur
tăng thì khối điều khiển giảm độ rộng xung điều khiển ( ) và ngược lại.
Khi muốn tăng điện áp ra, ta tăng độ rộng xung điều khiển và ngược lại.
Các bộ nguồn chuyển mạch có ổn định điện áp ra được gọi là nguồn ổn áp kiểu chuyển
mạch (hay còn gọi là nguồn ổn áp xung, nguồn ổn áp ngắt quãng)
Mạch điện như hình 6.27 hoạt động theo nguyên lý "điều chế độ rộng xung" để ổn định
điện áp một chiều đầu ra là mạch "ổn áp chuyển mạch BUCK".
6.7.2. Sơ đồ khối tổng quát của bộ nguồn ổn áp kiểu chuyển mạch theo nguyên lý “điều
chế độ rộng xung”
Hình 6.29: Sơ đồ khối tổng quát của bộ nguồn ổn áp kiểu chuyển mạch (1)
Mạch lọc nhiễu tần số cao đầu vào. 128
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn (2)
mạch chỉnh lưu và lọc sơ cấp. (3)
mạch chuyển mạch chính (chuyển mạch tần số cao) (4)
mạch chỉnh lưu và lọc thứ cấp. (5) mạch hồi tiếp (6)
mạch khuếch đại sai số (khuếch đại vi sai). (7)
mạch tạo điện áp chuẩn (8) mạch tạo điện áp sóng tam giác. (9)
mạch điều chế độ rộng xung. (10)
mạch khuếch đại và đảo pha. (11)
mạch hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) – ở các bộ nguồn công suất lớn.
Nếu bộ nguồn làm việc với điện áp vào là AC, thì:
UV ~ là điện áp dây (380V) – với bộ nguồn công suất lớn.
UV ~ là điện áp pha (220V) – với bộ nguồn công suất nhỏ.
Nếu bộ nguồn làm việc với điện áp vào là DC (từ acquy axithay dàn pin mắt trời) thì
không có mạch chỉnh lưu và lọc sơ cấp (2).
Đầu vào (9) còn có các tín hiệu khống chế khác như tín hiệu bảo vệ (P) để tự động tắt bộ nguồn khi có sự cố.
Tần số công tác (tần số chuyển mạch) của bộ nguồn là tần số của mạch tạo xung tam giác
(8) trong khoảng 10kHz 100kHz, làm việc với tần số nào trong dải tần số này tuỳ thuộc vào
từng bộ nguồn. Các bộ nguồn dùng trong viễn thông thường nằm trong khoảng 30kHz 85kHz
với khoảng tần số đó, các biến áp xung, cuộn chặn có lõi pheris có hệ số từ thẩm lớn, do đó
số vòng dây cũng như kích thước, trọng lượng của biến áp xung và cuộn chặn giảm đi rất nhiều
và tổn hao một chiều trên các phần tử đó cũng rất ít. Trị số và kích thước tụ lọc san bằng rất
nhỏ. Nếu tần số cao hơn, thì hiệu suất của bộ nguồn giảm thấp vì tổn hao của bộ nguồn tỷ lệ
nghịch với chu kỳ chuyển mạch T, và khi tần số cao thì năng lượng điện sẽ biến thành năng
lượng từ trường, điện trường và phát xạ tại chỗ trên các dây dẫn, biến áp, cuộn chặn.v.v… nên
hiệu suất của bộ nguồn sẽ thấp.
Mạch chuyển mạch chính sử dụng các transistor lưỡng cực, MOSFET, IGBT công suất
lớn, có tốc độ chuyển mạch cao, công tác ở 2 trạng thái bão hòa và ngắt nên có tổn hao nhỏ so
với transistor PTHC trong bộ nguồn tuyến tính, nên tỏa nhiệt cho các transistor chuyển mạch
đơn giản, vì vậy dòng ra của bộ nguồn có thể rất lớn, hàng trăm Ampe.
So với bộ nguồn ổn áp tuyến tính, bộ nguồn ổn áp kiểu chuyển mạch có những ưu điểm nổi bật:
- Hiệu suất cao tới trên 90%. 129
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn - Dải ổn định rộng. - Công suất lớn.
- Kích thước, trọng lượng nhỏ.
Tuy nhiên các bộ nguồn ổn áp chuyển mạch có nhược điểm là gây nhiễu lớn (nhiễu tần
số vô tuyến RFI) cho các thiết bị khác. Cấu trúc mạch điện phức tạp.
6.7.3. Một số mạch trong bộ nguồn ổn áp kiểu chuyển mạch
6.7.3.1. Mạch lọc nhiễu tần số cao đầu vào
Bộ nguồn chuyển mạch ở tần số cao, nên nó sinh ra rất nhiều thành phần hài bậc cao, các
tần số hài này nằm trong dải tần số vô tuyến, nên bộ nguồn sẽ là một nguồn gây nhiễu rất lớn ở
tần số cao (RFI) cho các thiết bị khác ở trong vùng, nhất là các thiết bị thu vô tuyến.
Nếu trên đường dây vào có các tín hiệu nhiễu lớn cao tần làm điện áp vào đột biến sẽ ảnh
hưởng lớn đến sự làm việc của chuyển mạch.
Do đó nhiệm vụ của mạch lọc nhiễu đầu vào là:
Chặn các nhiễu cao tần của bộ nguồn không ra đường dây để gây nhiễu.
Chặn các nhiễu cao tần từ đường dây không vào bộ nguồn để ảnh hưởng đến sự làm việc
của phần tử chuyển mạch.
Không tổn hao đối với dòng điện vào (dòng một chiều hay dòng AC 50Hz) Từ
các yêu cầu trên mạch lọc nhiễu đầu vào có cấu trúc như hình 6.30. 130
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn b)
Hình 6.30: Các mạch lọc nhiễu tần số cao đầu vào
a) mạch lọc nhiễu với đầu vào 2 dây; b) mạch lọc nhiễu với đầu vào 3 dây – 3 pha.
Hai đầu mạch lọc nhiễu có các tụ điện tần số cao (khoảng vài chục nF) nối giữa các dây
dẫn với đất, để nối tắt các xung nhiễu cao tần không đối xứng giữa các dây dẫn với nhau và giữa
các dây dẫn với đất, đối với dòng điện tần số 50/60Hz thì trở kháng của các tụ điện đó gần như
là vô cùng. Các cuộn chặn cao tần L L1 2, và L L L1 2 3, , có cùng số vòng dây, cùng chiều cuốn
dây và cuốn trên cùng 1 lõi, như vậy sẽ có trở kháng rất lớn đối với các nhiễu cao tần cùng chiều
(nhiễu đối xứng) trên các dây dẫn, còn đối với dòng công tác ngược chiều và tần số 50/60Hz thì
các cuộn chặn đó có trở kháng coi như bằng 0.
6.7.3.2. Mạch chỉnh lưu và lọc sơ cấp
Bộ nguồn mà đầu vào là nguồn AC thì phải có mạch này trước khi vào mạch chuyển mạch
chính. Nguồn AC vào có thể là 1 pha (2 dây) nếu bộ nguồn công suất vừa và nhỏ, hoặc 3 pha
(3 dây) nếu bộ nguồn công suất lớn. Mạch chỉnh lưu và lọc sơ cấp có nhiệm vụ biến dòng điện
xoay chiều tần số 50/60Hz thành một chiều và chỉ cần lọc sơ bộ bằng tụ điện rồi cung cấp cho
mạch chuyển mạch chính, các mạch chỉnh lưu thường dùng là mạch chỉnh lưu cầu 1 pha và cầu 3 pha như hình 6.31. 131
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
Nếu mạch làm việc với điện áp xoay chiều 1 pha 2 mức 120/220V thì mạch chỉnh lưu, lọc
sơ cấp như hình 6.31a. Khi làm việc với điện áp 120V thì chuyển mạch S1 đóng và mạch chỉnh
lưu 4 điốt và 2 tụ lọc C C1 2, lúc này hoạt động như 1 mạch chỉnh lưu bội áp toàn sóng. + + D 1 D 3 C 1 S 1 120 - 2 20VAC 320 VDC 220 V (120) C 1 D 2 D 4 C 2 a) b) + C 1
Hình 6.31: Các mạch chỉnh lưu
và lọc sơ cấp thường dùng 380 VAC
trong bộ nguồn chuyển mạch. 560 VDC C 2 c)
Khi làm việc với điện áp 220V thì chuyển mạch S1 hở và mạch chỉnh lưu lúc này là chỉnh
lưu cầu 1 pha, với mạch chỉnh lưu này thì mạch chuyển mạch chính thường nối theo kiểu bán cầu.
Nếu bộ nguồn làm việc với điện áp 1 pha, một mức và chuyển mạch chính nối theo kiểu
cầu thì mạch chỉnh lưu và lọc sơ cấp như hình 6.31b, chỉnh lưu là kiểu cầu 1 pha và lọc bằng 1 tụ điện C1.
Nếu bộ nguồn công suất lớn, làm việc với điện áp 3 pha (380V) thì dùng mạch chỉnh lưu
và lọc như hình 6.31c. Vì điện áp sau chỉnh lưu khá cao (550 600V) nên dùng 2 tụ điện nối
tiếp để giảm điện áp chịu đựng lên tụ và chuyển mạch chính là 2 nửa cầu nối tiếp nhau.
6.7.3.3. Mạch chuyển mạch chính (chuyển mạch tần số cao) và chỉnh lưu, lọc thứ cấp 132
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
Khối này còn được gọi là "Bộ biến đổi một chiều vào một chiều" mạch điện trong khối
này rất đa dạng, tùy thuộc công suất của bộ nguồn, điện áp vào và các yêu cầu kỹ thuật khác.
Ta chỉ đưa ra một số mạch thường hay dùng nhất.
1) Mạch có điện áp ra cao hơn điện áp đầu vào
Mạch hình 6.27 mà ta đã xét ở mục 6.7.1 có điện áp một chiều ra thấp hơn điện áp một chiều đầu vào U
. Muốn có điện áp ra cao hơn điện áp đầu vào, ta sử dụng mạc r Uv h hình 6.32. + L t 1 m t t D Uv 1 + R T 1 1 C Rt 1 R 2 + + Uch PWM KĐSS
Hình 6.32: Mạch có điện áp ra cao hơn điện áp vào.
Mạch này còn gọi là bộ ổn định có khuếch đại (Boost Regulator) hay mạch có bước tăng
(step-up). Khi T1 mở (xung điều khiển mức cao), D1 tắt do phân cực ngược, dòng qua cuộn chặn
L1 và L1 được tích trữ một năng lượng dưới dạng từ trường. Trong thời gian T1 mở, dòng cấp
cho tải hoàn toàn từ C1, C1 phải chọn đủ lớn để cung cấp dòng tải trong thời gian tm với sự giảm biên độ là nhỏ nhất.
Khi T1 tắt, dòng qua T1 mất đột ngột nhưng dòng qua L1 không thể thay đổi ngay được,
nên xuất hiện sức điện động tự cảm trên L1, và bây giờ điểm không chấm (điểm dưới) của L1 là
dương so với điểm có chấm (điểm trên), điểm có chấm của L1 là U , nên bây giờ năng lượng v
tích trữ trên L1 nạp cho C1 thông qua điốt D1 với 1 điện áp cao hơn Uv Uv UL1 và làm đầy lại
điện áp trên C1 mà nó đã phóng cho tải khi T1 mở.
Mạch này cho công suất một chiều đầu ra thấp (Pr < 100W) và có điện áp một chiều đầu
vào thấp dễ tạo điện áp một chiều đầu ra ổn định và cao hơn điện áp vào. 133
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
Mạch hình 6.32 có điện áp đầu ra: R1 Uv 1 tm 07, (6.16) Ur Uch 1 R2 tt
Trong đó: Uch là điện áp chuẩn đưa đến đầu (+) của bộ khuếch đại sai lệch.
R R1 2, các điện trở trong mạch phân áp hồi tiếp.
tm thời gian T1 mở (độ rộng xung điều khiển ) tt thời gian T1 tắt.
0,7V điện áp rơi trên điốt D1 khi thông.
2) Mạch đảo pha cực tính
Mạch chuyển mạch của bộ nguồn ổn định kiểu chuyển mạch, tạo điện áp ổn định đầu ra
có cực tính ngược với cực tính của điện áp vào, hình 6.33. T D 1 1 + R 1 Uv L C Ur 1 1 R 2 + + tm tt Uc h K Đ SS PWM
Hình 6.33: Mạch đảo pha cực tính
Khi T1 mở, dòng từ U , và D tắt
v chảy qua cuộn chặn L1, điện áp trên cực E của T1 bằng Uv
do phân cực ngược, cuộn chặn L1 được tích năng lượng dưới dạng từ. Khi T1 tắt trên L1 có phân
cực ngược (đầu có chấm của L1 âm so với điểm đất ở dưới) để duy trì dòng qua nó không đổi 134
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
làm D1 thông và C1 được nạp, đến khi T1 mở thì D1 tắt và C1 lại phóng qua tải, tạo cho điện áp
Ur có cực tính ngược với Uv .
Bỏ qua tổn hao trên các phần tử, điện áp một chiều đầu ra được tính theo công thức 7.3. tm Uv tm Uv (6.17) Ur U v tm tt T T
3) Mạch chuyển mạch đơn biến đổi thuận
Các mạch hình 6.27, 6.32, 6.33 đều có điểm chung giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào,
nên điện áp ra không cách ly với điện áp vào. Mạch chuyển mạch đơn biến đổi thuận được trình
bày trên hình 6.34 được sử dụng rất phổ biến trong các bộ nguồn chuyển mạch có công suất ra
nhỏ hơn 500W và điện áp đầu vào nhỏ hơn 200Vdc. Mạch hình 6.34 còn cho ta mạch ra cách
ly với mạch vào và điện áp ra có thể có nhiều mức khác nhau bằng cách thay cuộn chặn L1 trong
hình 6.32 bằng một biến áp xung, thứ cấp có nhiều cuộn dây.
Hình 6.34: Chuyển mạch đơn biến đổi thuận
Phía sơ cấp biến áp xung có 2 cuộn dây, W11 là cuộn sơ cấp chính; W12 là cuộn dây tái lập
(reset), số vòng của 2 cuộn bằng nhau và cùng chiều cuốn. Phía thứ cấp có thể có nhiều cuộn
dây tùy theo các mức điện áp ra mà tải yêu cầu. Điện áp hồi tiếp được lấy từ nguồn ra chính
Ur1 . Mạch hình 6.34 còn một thuận lợi là nếu một trong những đầu ra cần điện áp đảo cực
với các đầu ra khác thì chỉ cần đẩo chiều các điốt, tụ điện lọc và cuộn dây thứ cấp của của mạch
chỉnh lưu thứ cấp đó. Khi T1 mở, có dòng sơ cáp từ Uv chảy vào điểm có chấm của cuộn sơ cấp W , điện áp 11
Uv đặt trên W11 và điểm có chấm của W11 là dương đối với điểm không chấm 135
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
(điểm dưới của W11), vì các cuộn thứ cấp cùng chiều cuốn dây với cuộn sơ cấp, nên các đầu có
chấm của các cuộn thứ cấp cũng cảm ứng các điện áp dương so với các đầu không có chấm nên
các điốt chỉnh lưu D D2, 3 được phân cực thuận, các dòng chỉnh lưu chảy ra từ các điểm có chấm
của các cuộn thứ cấp đến các bộ lọc LC và các tải. Như vậy công suất cấp cho tải khi transistor
T1 đang mở ngược lại với các mạch hình 6.32 và 6.33, nên mạch hình 6.34 được gọi là mạch
"biến đổi thuận" hay còn được gọi là mạch "đồng pha dẫn" (vì khi transistor mở thì cuộn sơ cấp,
thứ cấp đều có điện áp, các điốt chỉnh lưu làm việc và dòng chảy đến tải, tất cả đều diễn ra khi T1 mở).
Hệ thống mạch sau các catốt của điốt chỉnh lưu giống như D L1 1, của bộ ổn định BUCK
hình 6.27, D D4, 5 hoạt động như các điốt ghim, khi T1 tắt và sức điện động tự cảm trên L L1 2, xuất hiện.
Nếu kể đến sụt áp trên transistor T1 khi mở là 1V, điện áp thuận đặt trên các điốt chỉnh
lưu là 0,7V, bỏ qua tổn hao rên biến áp xung và các cuộn chặn, các điện áp một chiều ra được tính như sau: W21 07, .tm Ur1 Uv 1 W11 T (6.18) W22 07, .tm Ur2
Uv 1 W11 T
Khi T1 tắt, năng lượng tích trữ trong từ cảm của biến áp Tr làm phân cực ngược điện áp
trên W . Bây giờ tất cả những đầu có chấm của các cuộn sơ cấp và thứ 11
cấp sẽ âm đối với những
đầu không chấm, và điểm có chấm của cuộn W12 sẽ âm nhanh, vì 2 cuộn W11 và W12 có cùng số
vòng, cùng chiều cuốn và nối tiếp nhau, nên điểm không chấm của W11 dương so với điểm có
chấm của W12 và điện áp đột biến trên W11 và W12 lúc này sẽ rất lớn, ít nhất là 2 lấn Uv, gây ra
transistor T1 thác lũ và phá hỏng nó. Điốt D1 nối ngang qua 2 đầu không chấm của W11 và đầu
chấm của W , chốt điện áp trên 12
W11, W12 lúc này bằng sụt áp thuận của D1 là 1V (lấy tròn) bảo
vệ cho transistor T1 không bị phá hỏng.
Dòng chảy qua cuộn W11 là dòng một chiều, vì vậy vòng từ trễ của lõi biến áp Tr dần dần
sẽ bị đẩy đi theo một hướng khác mà không tái lập lại vị trí ban đầu giống nhau sau mỗi chu kỳ
như những lõi có dòng xoay chiều trong các cuộn dây, điều đó dẫn đến lõi làm việc trong vùng
bão hòa, và tổn hao sẽ rất lớn, và transistor sẽ bị phá hủy. Để tránh trạng thái này, cuộn dây phụ
W12 có nhiệm vụ tái lập lại điểm xuất phát của vòng từ trễ về đúng vị trí ban đầu trên vòng từ
trễ trước khi dịch chuyển cùng hướng một lần nữa trong chu kỳ tiếp theo. Nghĩa là cuộn dây
W12 đảm bảo cho vòng từ trễ trong lõi biến áp Tr hoàn toàn giống nhau từ điểm xuất phát, hướng 136
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
đi, điểm cuối cùng và đường về ở tất cả các chu kỳ trong thời gian mạch hoạt động, giữ cho lõi sắt từ không bão hòa.
+ Điện áp chịu đựng lớn nhất lúc tắt trên transistor công suất:
Trong mạch biến đổi thuận hình 6.34, số vòng dây của cuộn tái lập (Reset) W12 bằng số
vòng dây của cuộn W , điện áp lớn nhất lúc tắt trên transistor công suất gấp 2 lần điện áp 11 Uv
lớn nhất cộng với xung nhọn rò do điện cảm rò của biến áp và dây dẫn (vì tần số cao). xung nhọn rò 2 Uv Uv tm 0 V
Hình 6.35: Dạng điện áp trên cực C của transistor công suất
trong bộ biến đổi thuận - đơn.
Như mô tả trên hình 6.35, trong thực tế biên độ xung nhọn rò chiếm khoảng 30% của 2
lần điện áp vào lớn nhất. Do đó điện áp đặt trên transistor công suất lúc tắt lớn nhất là:
Uc max 132, Uv max (6.19)
4) Mạch chuyển mạch đẩy kéo
Mạch chuyển mạch đẩy kéo được trình bày trên hình 6.36. 137
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
Hình 6.36: Mạch chuyển mạch đẩy kéo
Đầu ra yêu cầu có bao nhiêu mức điện áp thì có bấy nhiêu cuộn thứ cấp. Đầu ra nào đảo
cực với các đầu ra khác thì các điốt chỉnh lưu của đầu ra đó được nối đổi chiều (D ). Một 5, D6
chu kỳ của xung điều khiển 2 transistor chuyển mạch T1, T2 thay nhau làm việc.
Mỗi cuộn sơ cấp có điện áp Uv đặt lên nó khi transistor nối tiếp với nó thông, một chu kỳ
của xung điều khiển có 2 dòng và 2 điện áp Uv thay nhau đặt lên 2 nửa cuộn sơ cấp mỗi khi
transistor nối tiếp với 2 nửa cuộn sơ cấp thông. Vì vậy mạch đẩy kéo giống như 2 mạch đơn
biến đổi thuận nối song song nhau và làm việc ngược pha nhau, nên các mạch chỉnh lưu phía
thứ cấp là chỉnh lưu toàn sóng với các cuộn thứ cấp ra điểm giữa.
Điện áp hồi tiếp lấy từ đầu ra chính Ur1.
Khối điều khiển phải tạo ra 2 chuỗi xung có độ rộng thay đổi giống nhau nhưng ngược
pha nhau để điều khiển 2 transistor chuyển mạch T1, T2. 138
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
- Giả sử khi transistor thông, điện áp tren nó là 1V và điện áp thuận trên điốt là 0,7V, bỏ
qua tổn hao trên biến áp, cuộn chặn, ta có điện áp một chiều ra: W21 07, 2Ttm Ur1 Uv 1 W11 Ur2
Uv 1 WW2211 07, 2Ttm (6.20) W23 07, 2Ttm Ur3 Uv 1 W11
+ Trong mạch đẩy kép, các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có 2 dòng điện bằng nhau và ngược
chiều chẩy trong mỗi nửa cuộn trong 1 chu kỳ, nên trong 1 chu kỳ không có thành phần một
chiều trong biến áp, nên vòng từ trễ của lõi biến áp không đi vào vùng bão hòa, nó lặp lại giống
nhau sau mỗi chu kỳ tắt, mở.
+ Điện áp đặt trên transistor chuyển mạch khi tắt.
Do 2 nửa cuộn sơ cấp biến áp nối tiếp nhau, cùng chiều cuốn (nhìn từ các đầu có chấm
của biến áp trên sơ đồ) nên khi 1 trong 2 transistor mở, cực C của transistor đổi diện (transistor
tắt) sẽ chịu 1 điện áp ít nhất bằng 2 lần điện áp Uv lớn nhất cộng với biên độ xung nhọn do điện
cảm rò của biến áp và dây dẫn, giống như trương fhợp của transistor chuyển mạch ở mạch đơn
biến đổi thuận ở hình 6.34 và 6.35. Điện áp lớn nhất đặt lên cực C của transistor chuyển mạch
trong mạch đẩy kéo, khi tắt là: U c max 132, .Uvmax (6.21)
Để giảm nhỏ các xung nhọn điện cảm rò, từ đó giảm tỏn hao chuyển mạch cho transistor,
ta có thể nối giữa cực C của các transistor với điểm "đất" một mạch phụ gồm tụ điện, điện trở,
điốt (RCD) - được gọi là "SNUBBER" như hình 6.37. 139
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn Các điện cảm rò Uv Snubber Snubber ( gồm C,D, ) R
Hình 6.37: Các điện cảm rò gây ra các xung nhọn
và mạch Snubber giảm xung nhọn
Mạch đẩy kéo thường được sử dụng trong bộ nguồn chuyển mạch có công suất dưới
1000W và điện áp một chiều vào thấp hơn 200Vdc.
5) Mạch chuyển mạch biến đổi thuận – kép
Mạch chuyển mạch biến đổi thuận – kép là mạch đối xứng có 2 nửa giống nhau, mỗi nửa
gồm 2 transistor mắc nối tiếp với đỉnh và đáy của cuộn sơ cấp của 1 biến áp, mỗi nửa hoạt động
với 1 bán chu kỳ của điện áp điều khiển được trình bày ở mạch hình 6.38.
Hình 6.38: Mạch biến đổi thuận – kép. 140
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
Cả 2 transistor T1, T2 đều mở cùng một lúc khi xung điều khiển mức cao và tắt cùng 1 lúc
khi xung điều khiển mức thấp. Khi chúng mở, tất cả các đầu có chấm của các cuộn sơ cấp và
thứ cấp có điện áp dương và công suất được chuyển đến tải. Khi chúng tắt sức điện động tự cảm
xuất hiện làm phân cực ngược các cuộn dây. Điểm có chấm của W11 đạt đến điện thế âm nhưng
được giữ điện thế đất bởi điốt ghim D . Điểm không chấm của 1
W11 (điểm dưới) đạt điện thế
dương nhưng được giữ điện thế của Uv bởi điốt ghim D , do đó cực E của 2
T1 không bao giờ cao
hơn Uv và cực C của T2 không bao giờ cao hơn Uv. Xung điện cảm rò được ghim để điện áp đặt
lên 1 trong 2 transistor khi chúng tắt không bao giờ cao hơn điện áp vào lớn nhất.
Một ưu điểm đáng kể của mạch nữa là tất cả năng lượng được tích trữ trong điện cảm rò
không mất do tổn hao thành phần thuần trở hay transistor công suất mà được nạp trả lại về
nguồn Uv qua D1 và D2 khi 2 transistor tắt, vì các cuộn dây biến áp chỉ làm việc 1 lần trong 1
chu kỳ xung điều khiển nen các mạch chỉnh lưu thứ cấp phải có các điốt ghim (D ) để đảm 5, D6
bảo dòng liên tục qua tải khi 2 transistor tắt.
Trong cuộn sơ cấp W11 có dòng một chiều qua, nhưng điện áp phân cực ngược trên W11
lúc transistor tắt bằng điện áp phân cực thuận khi các transistor mở, do đó lõi biến áp luôn luôn
tái lập (reset) về vị trí ban đầu tốt nếu thời gian mở cực đại không lớn hơn 80% của nửa chu kỳ. + 141
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
Hình 6.39: Mạch biến đổi thuận – kép đầy đủ
Mạch biến đổi thuận – kép đầy đủ gồm 2 vế đối xứng nhau như hình 6.39, thường hay
được dùng trong các bộ nguồn ổn áp chuyển mạch công suất lớn, cung cấp cho các hệ thống
chuyển mạch (tổng đài) dung lượng lớn.
Bộ nguồn làm việc với điện áp AC 1 pha (220Vac – 310Vac), sử dụng các chuyển mạch
công suất là các MOSFET công suất, cho điện áp và dòng điện ra một chiều danh định 50Vdc- 25A; 50Vdc-50A.
Mạch hình 6.39 đòi hỏi khối điều khiển cho ra 2 chuỗi xung điều khiển có độ rộng thay
đổi, ngược pha nhau để điều khiển 2 vế; đồng thời các xung điều khiển các MOSFET phải cách
ly với nhau (thường dùng 2 biến áp xung, mỗi biến áp có 2 cuộn thứ cách ly nhau). Mạch hình
6.39 có 2 mạch chỉnh lưu thứ cấp chung 1 bộ lọc LC, nên trị số các linh kiện lọc LC được giảm nhỏ.
Bộ nguồn ổn áp chuyển mạch công suất lớn, có các phần tử chuyển mạch chính nối theo
kiểu biến đổi thuận – kép, có điện áp xoay chiều đầu vào 3 pha – 380V, thường có cấu hình
mạch biến đổi thuận – kép 2 vế mắc nối tiếp như hình 6.40. Kiểu nối mạch này thì điện áp trên
mỗi tụ lọc C1, C2 chỉ bằng một nửa điện áp vào Uv, điện áp tích trên mỗi tụ lọc là nguồn điện
áp cấp cho một vế của mạch, và mỗi MOSFET chỉ chịu điện áp bằng nửa Uv khi nó tắt. 142
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
Hình 6.40: Hai vế của mạch biến đổi thuận – kép
mắc nối tiếp khi đầu vào có điện áp cao.
Cấu hình mạch 6.40 thường cho ra điện áp, dòng điện một chiều danh định 50Vdc100A.
Để nhận được dòng ra lớn hơn nữa, người ta dùng nhiều mạch như hình 6.40 nối song
song các đầu vào xoay chiều và song song các đầu ra một chiều.
6) Mạch chuyển mạch cầu bán phần
Hình 6.41: Mạch chuyển mạch cầu bán phần
Hai transistor mở lệch nhau 180o. Khi một trong 2 transistor mở, transistor tắt chỉ chịu
một điện áp Uv lớn nhất mà không gấp đôi. Các điốt ghim D1, D2 nối giữa các cực C, E các
transistor chuyển mạch để giữ cho điện áp trên transistor khi tắt không vượt quá Uv, và hồi tiếp
năng lượng tích trữ trên biến áp về nguồn vào khi transistor tắt mà không tổn hao trên transistor
hay điện trở của biến áp. Khi T1 tắt, đầu dưới của sơ cấp biến áp có điện áp dương, dòng nạp
cho C2 xuất phát từ đầu dưới cuộn sơ cấp qua C2, D2 về đầu trên (đầu có chấm). Khi T2 tắt, T1
chưa thông, đầu có chấm của sơ cấp là dương, dòng nạp cho tụ C1 từ đầu có chấm, qua D1, C1
về đầu không chấm của sơ cấp biến áp.
Trong biến áp không có thành phần một chiều vì trong các cuộn dây có 2 dòng bằng nhau
và ngược chiều trong 1 chu kỳ, do đó tổn hao trong biến áp là rất nhỏ.
Mạch chuyển mạch cầu bán phần có thể cho công suất một chiều ra tới 1000W, sử dụng
các transistor công suất lưỡng cực hay transistor MOSFET. 143
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
7) Mạch chuyển mạch kiểu cầu toàn phần
Hình 6.42: Mạch chuyển mạch cầu toàn phần.
Các transistor T1, T2 mở tắt đồng pha, các transistor T3, T4 mở tắt đồng pha nhưng lệch với
T1, T2 góc 180o, với mạch cầu toàn phần, các transistor chỉ chịu 1 điện áp lớn nhất bằng điện áp
Uv lớn nhất. Các điốt ghim D
, ghim mức điện áp đặt lên các transistor khi tắt không vượt 1 D4
quá Uv, và hồi tiếp năng lượng dự trữ trên biến áp về nguồn vào khi transistor tắt. Trạng thái
công tác của biến áp giống như mạch cầu bán phần. Với cùng điện áp Uv và các transistor hoạt
động với cùng 1 dòng đỉnh thì mạch cầu toàn phần có thể cung cấp công suất một chiều đầu ra
gấp 2 lần so với mạch cầu bán phần, nhưng số vòng dây sơ cấp biến áp phải gấp 2 lần so với mạch cầu bán phần.
Cuộn sơ cấp biến áp làm việc 2 lần trong 1 chu kỳ xung điều khiển nên các mạch chỉnh
lưu bên thứ cấp là chỉnh lưu toàn sóng, dùng mạch chỉnh lưu với cuộn thứ cấp có điểm giữa có
thể tạo ra các nguồn điện áp ổn định đối xứng. CÂU HỎI ÔN TẬP +
2. Phân tích nguyên lý hoạt động của mạch hình 6.44 và tính điện áp ra Ur. T +
1. Phân tích nguyên lý hoạt ộng đ
của mạch hình 6-1 và tính đi 1 ệ n áp ra U r . Uv Ur R ZD 2 1 144 Hình 6.43 T 3
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) R T 1 2 ZD 2 UZ 2 = 8,3V lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn + T + 1 Uv Ur ZD R 2 1 ZD 2 Hình 6.44 UZ T 2 = 3 R T , 11 3V 1 2 R 3 + T 1
3. Cho mạch điện hình 5.45. Uv = 28V R 1 Tính U R Rt Ura ra khi VR1 ở các 3
điểm trên, giữa, dưới. 10 k R 2 VR T 1 2 Tính U ra khi ZD1 bị 0 k 5
ngắn mạch và hở mạch tương ZD 1 R ứng với 5 UZD 1 = 10V 8 k VR1 ở 3 vị trí. Hình 6.45
4. Cho mạch điện hình 6.46. + 1 T Uv = 25V R Rt Ura Tính U 2 ra khi VR1 10 k
ở các điểm trên, giữa, R 1 T 2 dưới. V + VR 1 + 0 5 k
Tính Ura khi ZD1 R
bị ngắn mạch và hở mạch ZD 3 1
tương ứng với 3 vị trí của 10 k UZD V 1 = 3,3V R1.
Tính hiệu suất của mạch ứng với V 1 ở điểm trên. R Hình 6.46
5. Cho mạch điện hình 6.47. + 3 LM238 2 1 ,2 32V
Tính Ura khi con chạy của VR1 ở U = 35V R U
các điểm trên, giữa, dưới và hiệu suất của 1 1 100
v ra mạch ứng với các vị trí của VR1. VR 1 0
6. Cho mạch điện như hình 6.48. 2,5k Hình 6.47 145
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn
Cho biết UZD1 = 12V, dòng IZD1min = 1,5mA.
Tính giá trị R1 thấp nhất và Ur ngưỡng để mạch bảo vệ (mạch trong vòng tròn) bắt đầu hoạt động.
Biết SCR dẫn khi UGK = 1,5V và IGK = 1mA.
- Muốn thay đổi nguồn +E thành nguồn –E (chân 4 của sơ đồ nối đến –E) thì phải thay đổi Hình 6.49
những gì để mạch làm việc bình thường? Vẽ lại mạch.
8. Cho mạch điện hình 6.50, biết:
E = +30V, UZD = 6,6V; R1 = 2k ; R2 = 2,5k VR = 2k , 1 = 100. Dòng ra của IC là 10mA.
Tính giá trị nhỏ nhất của Rt và giá trị lớn nhất của RE để mạch hoạt động bình thường?
(mạch hoạt động bình thường là I
, mạch giới hạn dòng chưa làm việc). rmax 1IB1 146
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn R + E 3 + T 1 R ZD 4 T 2 Hình 6.50 R 2 R E Ur VR Rt R 1 9.
Cho mạch điện hình 6.51, biết: + T IT1 It
It = 1,5A, I1C = 1A, = 100 1 Tính giá trị Uv Ur R1 và IT1? R IIC 1 78 XX 1 3 2
10. Cho mạch điện hình 6.52 là sơ đồ ổn áp Hình 6.51 mà Ur điều
khiển được từng nấc nhờ tín hiệu số tác động 3 2 tới các lối vào X . Biết LM317 có 0, X1, X2 Urmin = IN OUT 1,2V. E ADJ R Ur +35 V 3 1 500
E = +35V, R1 = R2 = R4 = R0 = 3k Khi R R R
transistor bão hòa thì coi như 2 1 r 0 CE = 0. 3 k 3 k 3 k T R 4 Tính U 2 T 1 T 0
r trong các trường hợp: 3 k
+ X0 = X1 = X2 = 0.
+ Một trong 3 lối vào bằng 1. X 2 X 1 X 0
+ Hai trong 3 lối vào bằng 1.
Hình 6.52 + Cả 3 lối vào bằng 1.
11. Phân tích nguyên lý hoạt động của mạch hình 6.53. 147
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn Uv R L D R Ur 1 1 2 1 Điều khiển C 1 ĐRX R 3 ZD T 1 Hình 6.53
Cho biết Ur lớn hơn hay nhỏ hơn Uv?
Muốn điều chỉnh được điện áp ra thì làm thế nào?
Tính Ur, biết Uv = 10V và UB1 có dạng như sau. 2 1,5
12. Phân tích nguyên lý hoạt động của mạch hình 6.54. D 1 T 1 Uv Ur 15 V Điều L C 1 khiển 1 ĐRX Hình 6.54 3 UB1 có dạng: 1
- Đánh dấu cực của Ur và tính giá trị Ur?
13. Cho mạch điện như hình 6.55. D 1 T 1 Uv Ur Hình 6.55 Điều L C Tr 1 khiển 1 1 ĐRX -
Muốn có Ur > Uv thì làm thế nào? 148
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 6. Ổn áp nguồn -
Muốn đảo cực Ur thì nối mạch như thế nào?
14. Cho mạch bảo vệ cắt điện áp cao của bộ nguồn chuyển mạch hình 6.56, hãy phân tích mạch. Hình 6.56
15. Sơ đồ hình 6.57, trong đó có một bộ nguồn chuyển mạch kiểu dao động tự kích tạo ra
mức nguồn một chiều phụ U01, U02 để cung cấp cho nguồn chuyển mạch tạo ra nguồn một chiều
chính làm việc với điện áp 300VDC. Hãy phân tích nguyên lý hoạt động của sơ đồ? Hình 6.57 149
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 7. Các ứng dụng của các bộ biến đổi công suất 150
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 7. Các ứng dụng của các bộ biến đổi công suất
7.2. BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM
Đã giới thiệu trong phần bộ nghịch lưu. Việc tìm hiểu về bộ khởi động mềm ứng dụng
cho từng thiết bị như động cơ không đồng bộ, rotor lồng sóc, động cơ xoay chiều ba pha sẽ
giao cho sinh viên tìm hiểu dưới dạng bài tập lớn.
7.4. BỘ BIẾN TẦN CÔNG NGHIỆP
Biến tần công nghiệp được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp, các dây
chuyền sản xuất tự động hóa. Có rất nhiều hãng sản xuất biến tần công nghiệp như Siemens, …
Về mặt tần số hoạt động biến tần công nghiệp có tần số đầu vào phù hợp với tần số lưới
điện, tần số đầu ra trong khoảng 0 đến 650Hz.
Phân loại theo chức năng ta có:
- Biến tần đầu vào một pha ra một pha
- Biến tần đầu vào một pha ra ba pha
- Biến tần đầu vào ba pha ra một pha
- Biến tần đầu vào ba pha ra ba pha Cấu tạo cơ bản của các loại biến tần này như
sau: a) Biến tần đầu vào một pha ra một pha
b) Biến tần đầu vào một pha ra ba pha
c) Biến tần đầu vào ba pha ra một pha 151
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 7. Các ứng dụng của các bộ biến đổi công suất
d) Biến tần đầu vào ba pha ra ba pha
7.5. NGUỒN LIÊN TỤC (UPS)
7.5.1. Giới thiệu chung về UPS
a) Cung cấp năng lượng điện cho những tải nhạy cảm
Sự cố nguồn năng lượng điện
Sự cố trong các nguồn năng lượng điện có thể xẩy ra trong quá trình lắp đặt trang thiết bị
hoặc ở đầu vào hệ thống (quá tải, nhiễu, mất cân bằng pha, sấm sét, …). Những sự cố này có
thể gây ra những hậu quả khác nhau.
Về mặt lý thuyết: Hệ thống phân phối năng lượng điện tạo ra một điện áp hình sin vơi
biên độ và tần số thích hợp để cung cấp cho thiết bị điện (400V-50Hz chẳng hạn).
Trong thực tê, những sóng hình sin điện áp và dòng điện cùng tần số bị ảnh hưởng trong
phạm vi khác nhau bởi những sự cố có thể xuất hiện trong hệ thống. 152
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 7. Các ứng dụng của các bộ biến đổi công suất
Đối với hệ thống cung cấp điện: Có thể bị sự cố hoặc gián đoạn cung cấp điện vì:
Hiện tượng nhiễm điện ở bầu khí quyển (thường không tránh khỏi). Điều này có thể
ảnh hưởng đến đường dây ngoài trời hoặc cáp chôn, chẳng hạn: o Sấm sét làm
điện áp tăng đột ngột trong hệ thống cung cấp điện.
o Sương giá có thể làm cho đường dây bị đứt
Những hiện tượng ngẫu nhiên, chẳng hạn:
o Cành cây rơi gây gắn mạch hoặc đứt dây o Đứt cáp do đào đất
o Sự hư hỏng trong hệ thống cung cấp
Những thiết bị dùng điện có thể ảnh hưởng đến hệ thống cung cấp
Lăp đặt công nghiệp, chẳng hạn:
o Động cơ gây ra điện áp rơi và nhiễm RF trong quá trình khởi động.
o Những thiết bị gây ô nhiễm: lò luyện kim, máy hàn, … gây ra điện áp rơi và nhiễm RF
Những hệ thống điện tử công suất cao.
Thang máy, đèn huỳnh quang
Những sự cố ảnh hưởng đến việc cung cấp năng lượng điện cho thiết bị có thể phân thành
các loại sau: Lệch điện áp, Ngừng hoạt động, Tăng đột ngột điện áp, Thay đổi tần số, Xuất hiện
sóng hài, Nhiễu tần số cao.
Sự cố có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng, đặc biệt là làm gián đoạn việc cung cấp
điện, nhất là hệ thống dữ liệu của máy tính.
b) Giải pháp dùng UPS
Điều cần chú ý trước hết của những sự cố và hậu quả của nó về phương diện: An toàn cho con người
An toàn cho thiết bị, nhà xưởng
Mục tiêu vận hành kinh tế
Từ đó phải tìm cách loại chúng ra. Có nhiều giải pháp kỹ thuật khác nhau cho vấn đề này,
những giải pháp này được so sánh trên cơ sở của hai tiêu chuẩn sau để đánh giá:
Liên tục cung cấp điện
Chất lượng cung cấp điện 153
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 7. Các ứng dụng của các bộ biến đổi công suất
c) Những chức năng của UPS
Hoạt động như một giao diện giữa hệ thống cung cấp điện và những tải nhạy cảm. UPS
cung cấp cho tải một năng lượng điện liên tục, chất lượng cao, không phụ thuộc mọi tình trạng
của hệ thống cung cấp.
UPS tạo ra một điện áp cung cấp tin cậy:
Không bị ảnh hưởng của những sự cố của hệ thống cung cấp, đặc biệt khi hệ
thống cung cấp ngừng hoạt động.
Phạm vi sai số cho phép tuỳ theo yêu cầu của những thiết bị điện từ nhạy cảm
(chẳng hạn: GALAXY-sai số cho phép của biên độ 0,5%, tần số 1%)
UPS có thể cung cấp điện áp tin cậy, độc lập và liên tục thông qua các khâu trung gian:
Acquy và chuyển mạch tĩnh.
7.5.2. Ứng dụng của UPS trong thực tế
Hiện nay nhu cầu ứng dụng UPS trong các lĩnh vực tin học, viễn thông, ngân hàng là rất
lớn. Số lượng UPS được sử dụng gần bằng 1/3 số lượng máy tính đang được sử dụng. Có thể
lấy một vài ví dụ về các thiết bị sử dụng UPS, đó là những máy tính, việc truyền dữ liệu và
toàn bộ thiết bị ở một trạng thái nào đó là rất quan trọng và không cho phép được mất điện.
UPS được sử dụng trong ngành hàng không để đảm bảo sự thắp sáng liên tục của đường băng
sân bay… Nói tóm lại UPS là một nguồn điện dự phòng nó có mặt ở mọi chỗ mọi nơi, những
nơi đòi hỏi cao về yêu cầu cấp điện liên tục. 154
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com) lOMoARcPSD| 37054152
Chương 7. Các ứng dụng của các bộ biến đổi công suất
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Võ Minh Chính, Điện tử công suất, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2007.
[2]. Nguyễn Xuân Hòe, Bài giảng Nguồn điện, Học viện CNBCVT, 2000. [3].
Nguyễn Bính, Điện tử công suất, 2002.
[4]. Danial W. Hart, Introduction to power electronics, Prentice Hall, 1997 155
Downloaded by Jiisaa Miliana (milihisa22@gmail.com)