TIỂU LUẬN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT " TÌM HIỂU VỀ MẠCH CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN MỘT PHA " doc

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP.HỒ CHÍ MINH
Khoa công nghệ kỹ thuật điện

TIỂU LUẬN
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
ĐỀ TÀI:
TÌM HIỂU VỀ MẠCH CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN MỘT
PHA
SINH VIÊN MSSV
NGUYỄN VĂN NGUYÊN 08108531
LÊ TUẤN ANH 08112281
LÊ VĂN LINH 08105681
NGUYỄN CÀNH TIẾN
GVHD NGUYỄN NGỌC ANH TUẤN
1
TP.HỒ CHÍ MINH ngày 14 tháng2 năm 2011
Phụ lục
Phần 1: Giới thiệu về SCR:
A.cấu tạo và đặc điểm
B.nguyên lí hoạt động
C.đặc tuyến volt-ampe của SCR
D.các thông số cua SCR
Phần 2:các vấn đề chung về chỉnh lưu:
1.khái niệm về chỉnh lưu
2.ứng dụng và đặc điểm
3.phân loại sơ đồ chỉnh lưu
Phần 3.các sơ đồ chỉnh lưu một pha có điều khiển(góc kích =45độ)
1.chỉnh lưu một pha, bán kì
2.chỉnh lưu toàn kì

3.chỉnh lưu cầu
4.chỉnh lưu cầu ko đố xứng`
2
Giới thiệu về SCR
A. Cấu tạo và đặc tính
SCR được cấu tạo bởi 4 lớp bán dẫn PNPN ( có 3 nối PN ) Như tên gọi ta thấy SCR là một
diode chỉnh lưu được kiểm soát bởi cổng silicium. Các tiếp xúc kim loại được tạo ra các
cực Anot A, catot K và cổng G.
Cấu tạo Mô hình tương đương
B. Nguyên lý hoạt động của SCR.
3
Nếu ta mắc một nguồn điện một chiều V
AA
vào SCR, một dòng điện nhỏ I
G
kích vào cực
cổng G sẽ làm nối PN giữa cực cổng G và K dẫn phát khởi dòng lớn hơn nhiều. nếu ta đổi
chiều nguồn V
AA
sẽ không có dòng điện qua SCR cho dù có dòng diện kích I
G
. như vậy ta
có thể hiểu SCR như một diode như có thêm cực cổng G và để SCR dẫn điện phải có dòng
điện kích I
G
vào cực cổng.
Ta thấy SCR có thể coi như tương đương với hai transistor PNP và NPN liên kết nhau qua
ngõ nền và thu.
Khi có một dòng điện nhỏ I kích vào cực nền của transistor NPN T1 tức cổng G. dòng điện
I

G
sẽ tạo da dòng cực thu I
C1
lớn hơn, mà I
C1
lại là chính là dòng I
B2
của transistor PNP T
2

nên tạo da dòng điện thu I
C2
lại lớn hơn trước …hiện tượng này cứ tiếp tục nên cả hai
transistor nhanh chóng trở nên bão hòa. Dòng bảo hòa qua hai transistor chính là dòng
anod của SCR dòng điện này tùy thuộc vào V
Â
và điện trở tải R
A
.
Cơ chế hoạt động như trên của SCR cho thấy dòng I
G
không cần lớn và chỉ cần tồn tại
trong thời gian ngắn. khi SCR đã dẫn điện , nếu ta ngắt bỏ I
G
thì SCR vẫn tiếp tục dẫn
điện , nghĩa là ta không thể ngắt SCR bằng cực cổng, đây cũng là một nhược điểm của
SCR so với transistor
Ta chỉ có thể SCR bằng cách cắt nguồn V
AA
hoặc giảm V

AA
sao cho dòng điện qua SCR
nhỏ hơn một trị số nào đó ( tùy thuộc vào từng SCR ) gọi là dòng điện duy trì.
C. Dặc tuyến volt – Ampere của SCR
4
Đặc tuyến này trình bày sự biến thiên của dòng điện anod I
A
theo điện thế anod – catod
V
AK
với dòng điện cổng I
G
coi như thông số.
Khi SCR được phân cực nghịch ( điện thế anod âm hơn điện thế catod ), chỉ có một dòng
điện rỉ rất nhỏ chạy qua SCR.
Khi SCR được phân cực thuận , nếu ta nối tắt hoặc để hở nguồn V
GG
(I
G
=0) , khi V
AK
còn
nhỏ chỉ có một dòng điện chạy qua SCR ( trong thực tế người ta coi như SCR không dẫn
điện ) , nhưng khi V
AK
đạt đến một trị số nào đó ( tùy thuộc vào từng SCR) gọi là điện thế
quay về V
BO
thì điện thế V
AK

tự động sụt suống khoảng 0,7V như diode thường. dòng điện
tương ứng bây giờ chính là dòng điện duy trì I
H
. từ bây giờ , SCR chuyển sang trạng thái
dẫn điện và có đặc tuyến gần giống như diode thường.
Nếu ta tăng nguồn V
GG
để tạo dòng điện kích I
G
, ta thấy điện thế quay về nhỏ hơn và khi
dòng kích I
G
càng lớn, điện thế V
BO
càng nhỏ.
D. Các thông số của SCR
a) Dòng thuận tối đa: là dòng điện anod I
A
trung bình lớn nhất mà SCR có thể
chịu đựng được liên tục. trong trường hợp dòng lớn, SCR phải được giải nhiệt
đầy đủ. Dòng thuận tối đa tùy thuộc vào từng SCR, có thểtuwf vài trăm mA
đến hàng trăm A.
b) Điện thế ngược tối đa: Đây là điện thế phân cực nghịch tối đa mà xảy ra sự
hủy thác
c) Dòng chốt: Là dòng thuận tối thiểu đẻ giữ SCR ở trạng thái dẫn điện sau khi
SCR từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn. Dòng chốt thường lớn hơn dòng
duy trì chút ít
d) Dòng cổng tối thiểu: Như đã thấy, khi điện thế V
AK
lớn hơn V

BO
thì SCR sẽ
chuyễn sang trạng thái dẫn điện mà không cần dòng kích I
G
. tuy nhiên trong
ứng dụng, thườg người ta phải tạo ra một dòng cổng để SCR dẫn điện
ngay.tùy theo mỗi SCR.
e) Thời gian mở: Để tắt SCR, người ta giảm điện thế V
AK
suống 0volt, tức dòng
anod cũng bằng 0. thế nhưng ta hạ điện thế anod xuống 0 rồi tăng lên ngay thì
SCR vẫn dẫn điện mặc dù không có dòng kích. Thời gian tắt SCR là thời gian
từ lúc điện thế V
AK
suống 0 đến lúc lên cao trở lại mà SCR không dẫn trở lại.
thời gian này lớn hơn thời gian mở, thường khoảng vài chục
s
µ
. Như vậy
SCR là linh kiện chậm, hoạt động ở tần số thấp
f) Tốc độ tăng điện thế dv/dt: ta có thể làm SCR dẫn điện bằng cách tăng điện
thế anod lên đến điện thế quay về V
BO
hoặc bằng cách dùng dòng kích cực
cổng. một cách khác là tăng điện thế anod nhanh tức dv/dt lớn mà bản thân
điện thế anod không cần lớn.
5
g) Tốc độ tăng dòng thuận tối đa di/dv: Đây là trị số tối đa của tốc độ tăng dòng
anod. Trên trị số này SCR có thể bị hư. Lý do là khi SCR chuyển từ trạng thái
ngưng sang trạng thái dẫn, hiệu thế giữa anod và catod còn lớn trong lúc dòng

điện anod tăng nhanh khiến công suất tiêu tán tức thời có thể quá lớn. khi
SCR bắt đầu dẫn, công suất tiêu tán tập trung ở gần vùng cổng nên vùng này
dễ bị hư hỏng. khả năng chịu đựng của di/dt tùy thuộc vào mỗi SCR
I.Các vấn đề chung của chỉnh lưu.
1.Khái niệm về chỉnh lưu:
Mạch chỉnh lưu một pha có công dụng chuyển đổi điện áp AC thành điện
áp DC(có nghĩa là chuyển dổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một
chiều).
2.Ứng Dụng và đặc điểm:
Trong công nghiệp thì mạch chỉnh lưu có điều khiển dùng để làm thay
đổi công suất của tải theo những yêu cầu khác nhau.Mạch chỉnh lưu có điều
khiển thường được áp dụng cách thay đổi góc kích của SCR và ứng để điều
chỉnh tự động cho các mạch như :Nạp ắcqui,hàn điện,mạ điện,điện
phân,điều khiển động cơ DC,Truyền thông điện…
Tuy nhiên trong công nghiệp đôi khi còn sử dụng các mạch chỉnh lưu
không có điều khiển (Diode),nhưng trường hợp này có thể xem là trường
hợp của SCR với góc kích được điều khiển bằng không (α=0º).
Nói đến chỉnh lưu là nói đến giá trị điện DC,tức là quan tâm tới giá trị
trung bình các đại lượng điện của chúng.Tuy nhiên ta cũng cần quan tâm
đến đại lượng hiệu dụng để so sánh và ứng dụng trong điều khiển tải AC.
3.Phân loại các sơ đồ chỉnh lưu.
Tùy theo số pha của ngườn điện xoay chiều phía đầu vào của chỉnh lưu là
một pha,ba pha,n-pha mà chỉnh lưu có thể là một pha,ba pha hoặc n-pha.
Nếu dòng điện xoay chiều chạy giữa dây pha và dây trung tính thì chỉnh
lưu đó gọi là sơ đồ hình tia.Nếu dòng điện xoay chiều chạy giữa các dây pha
với nhau thì chỉnh lưu đó gọi là sơ đồ cầu.
Nếu sơ đồ chỉnh lưu chỉ sử dụng toàn diode thì sơ đồ chỉnh lưu gọi là
không điều khiển.nếu sơ đồ sử dụng toàn Thyristor thì sơ đồ gọi là điều
khiển hoàn toàn.Nếu sơ đồ kết hợp cả Thyristor và diode thì sơ đồ sẽ là bán
điều khiển.

II.Các sơ đồ chỉnh lưu một pha có điều khiển (với α=45º)
.Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha,chỉnh lưu bán kỳ.
1.Tải R (Thuần trở).
- Sơ đồ mạch và dạng song ngõ vào ra.
6


- Cách hoạt động:
Khi V
i
>0 (Bán kỳ dương) và tại góc kích α=45º,SCR dẫn,ta có dòng
L
i

qua tải tạo nên điện áp ở hai đầu của tải
LLL
Riv =
Khi V
i
<0 (Bán kỳ âm) SCR nhưng dẫn,dòng qua tải bằng không,điện thế
0=
L
v
Vậy ta thấy khi này SCR dẫn từ
4
π
÷ π và ngưng từ
π
÷(
4

π
+ 2
π
)
7
- Tính toán cho tải.
+ Điện thế trung bình.
V
AV
=
T
p
1
∫
+
P
Tt
t
dttv
0
0
)(
=
)
4
coscos(
2
)cos(
2
sin

2
1
4
4
π
π
π
ω
π
ωω
π
π
λ
π
λ
+−=−=
∫
VmVm
m
tttd
V

)
4
cos1(
2
π
π
+=
m

AV
V
V
+ Dòng trung bình qua tải.
I
)
4
cos1(
2
π
π
+==
L
M
L
AV
AV
R
V
R
V
+ Công suất trung bình trên tải.
P
AVAVAV
IV=
+ Điện thế hiệu dụng.
( )
td
t
VtdtVtdvV

MMiacRMS
ω
ω
π
ωω
π
ω
π
π
π
π
π
π
π
∫∫∫






−
===
2
4
2
2
4
2
2

2
4
2
2
2cos1
2
1
sin
2
1
2
1

2
1
2
2
4
2
4
4
2sin
2
4
1
2
2
4
2sin
3

2
2
4
2sin
2
1
4












+−=













+−=






−=
π
π
π
ππ
π
π
π
ωω
π
π
π
MMM
VV
tt
V


+ Dòng điện hiệu dụng.
I
2

1
4
2/1
4
2
2
4
sin
2
1
2
2
sin
1
2
3
2












+−=









+−=
π
π
ππ
ππ
π
π
M
L
M
RMS
V
R
V
+ Công suất hiệu dụng của tải.
P













+−===
π
π
π
π
2
4
sin
2
4
1
22
2
2
2
L
M
L
RMS
LRMSRMS
R
V
R
V

RI
- Tính toán cho linh kiện công suất( Với α ≤ π∕2)
+ Dòng qua đỉnh mỗi SCR.
I
taiMSCRM
I
__!
=
+ Dòng trung bình qua mỗi SCR.

taiAVSCRAV
II
__!
=
8
+ Điện áp ngược cực đại đặt trên mỗi SCR.
nguonVSCRRM
VV
_1_
=
2.Tải L (Tải thuần trở)
Đây là bài toán không có trong thực tế,nhưng chúng ta đi vào khảo sát
dạng này để có thể dề dàng tính toán được cho tải R-L.Trong khi các bài
toán thực tế thường giá trị L được chọn là vô cùng lớn(thực ra là đủ lớn đối
tần số tín hiệu),tuy nhiên ở đây ta khao sát một cách tổng quát nhất đề rồi sẽ
đi đến xét ri6ng những trường hợp cụ thể.
- Sơ đồ mạch.
- Tính toán các đại lượng.
+ Phương trình dòng tức thời qua cuôn cảm.
dt

di
LtVv
ML
== sin
ttd
L
V
di
M
ωω
ω
sin=
9
( )






−==
∫
t
L
V
ttd
L
V
ti
MM

ω
λ
ω
ωω
ω
π
π
cos
4
cossin
2
4
+ Tính dòng tải trung bình.
( )
( )












−+−=−=
∫
β

ππ
αβ
ωπ
ωω
ωπ
π
π
π
sin
4
sin
4
cos
2
coscos
2
1
4
2
4
L
V
tdt
L
V
I
MM
LDC
+ Chú ý:
Khi

πβ
=
:






+−=
4
sin
4
cos
44
cos
2
ππππ
π
ωπ
L
V
I
M
LDC
Thí dụ:Cho mạch chỉnh lưu có
:20:50:100 mHLHzfVV
i
===
có góc kích

3
5
300;
4
45
00
π
β
π
α
====
.Tính dòng trung bình qua tải.
Bài làm
Từ đó ta có thể tính được:
( )
( )
( )
=













−+






−=
−
3
5
sin
4
sin
4
cos
43
5
31410.2014.32
2100
3
πππππ
LDC
I
21.6(A)
3.Tải R-L (Tải trở cảm)
Ta có sơ đồ sau:
10
- Khi tải là cảm kháng
L

Z
(L,R)
Tương tự như trên ,nhưng giải phức tạp hơn.Ta có phương trình vi phân.
tVRL
Mi
di
dt
ω
sin=+
Giải phương trình ta có nghiệm tổng quát của phương trình
( ) ( )












−+−=
−
−
)
4
(
4

sinsin
π
ω
ω
π
φφω
t
L
R
M
et
Z
V
ti

βω
<< t0
=0
πωβ
2<< t
Với
Z
R
Z
L
==
φ
ω
φ
cos;sin

Liên hệ giữa góc kích và góc tắt.
Tại góc tắt dòng
( )
0
2
=ti
phương trình trên cho ta có:
( )
0
4
sinsin
4
=






−+−






−
π
β
ω

π
φφβ
L
R
e
( )
e
L
R






−






−=−⇔
4
4
sinsin
π
β
ω
φ

π
φβ
( )
ee
L
R
L
R


















−=−⇒
3
2
.

3
2
sinsin
π
ω
β
ω
φ
π
φβ
( )


















−=−

4
.
4
sinsin
π
ω
β
ω
φ
π
φβ
L
R
L
R
e
e
+ Điện thế trung bình của tải:






−==
∫
β
π
π
ωω

π
π
π
cos
4
cos
2
sin
2
1
2
4
M
MLDC
V
ttdVV
+ Dòng điện trung bình qua tải:






−=
β
π
π
cos
4
cos

2
M
LDC
V
I
+ Khi






+==
4
cos1
2
:
π
π
πβ
M
LDC
V
V
kết quả như trường hợp của tải R
L
.
+ Khi
4
cos:2

4
π
π
π
π
β
R
V
V
M
LDC
=+=
(dẫn liên tục).
- Diode dập (Free wheeling diode)
Để tránh dòng cảm ứng kéo dài khi SCR ngưng ,ta dùng diode dập dòng
cảm ứng như hình vẽ dưới.Ta có điện thế và dòng điện chấm dứt ở cuối bán
kỳ,dòng cảm ứng sẽ chạy qua diode.Ta có dòng qua diode.
11













=






+=
+
=
π
π
π
π
ππ
π
π
2
4
4
cos1
22
4
R
V
II
M
LDCD
Điều kiện để có dòng qua diode là cực đại thì:
0

22
4
sin
44
cos1
4
=


















+−







+
=
R
V
d
dI
MD
ππ
π
π
ππ
π
4
sin
44
cos1
π
π
ππ






+=+
II.Chỉnh lưu toàn kỳ.
1.Tải R(thuần trở)

-Với tải
L
R
thuần.Ta có mạch điện như sau:
- Tính toán cho tải.
+ Tính được điện thế trung bình của tải.






+==
∫
4
cos1sin
1
2
4
π
π
ωω
π
π
π
M
MAV
V
ttdVV
+Dòng trung bình qua tải.

L
AV
VA
R
V
I =
+ Điện thế hiệu dụng qua tải:
12
2
1
max
2
1
2
4
2sin
4
1
2
4
2sin
4
1
2













+−=⇒












+−
π
π
π
π
π
π
π
π
L
RMS

M
RMS
V
V
V
V
+ Dòng điện hiệu dụng qua tải.
2
1
2
4
2sin
4
1
2












+−=
π
π

π
π
L
M
RMS
R
V
I
+ Công suất trung bình qua tải.
π
π
π
π
π
π
π
π
2
4
2sin
4
1
2
4
2sin
4
1
2
max
2

2
+−⇒












+−==
L
RMS
L
M
L
RMS
RMS
P
P
R
RP
V
I
- Tính toán linh kiện công suất
+ Dòng đỉnh qua mỗi SCR

taiMSCRM
II
_1_
=
+ Dòng trung bình qua mỗi SCR.
2
_
1_
taiAV
SCRAV
I
I =
+ Điện áp ngược cực đại trên mỗi SCR.
nguonMSCRRM
VV
_1_
2=
2.Tải L(Tải thuần trở)
- Sơ đồ mạch và dạng sóng sau:
13
- Tính toán các đại lượng.
Cách tính tương tự như ở trường hợp chỉnh lưu bán kỳ,ta có các kết quả
sau:
+ Dòng trung bình qua tải.













−−






−=
4
sinsin
4
cos
4
π
β
ππ
β
ωπ
L
V
I
M
LDC
+ Chú ý:

Khi
πβ
=
(không liên tục)






+






−=
4
sin
4
cos
4
πππ
π
ωπ
L
V
I
M

LDC
Khi
π
π
β
+=
4
(dẫn lien tục)












+=
4
sin2
4
cos
ππ
π
ωπ
L
V

I
M
LDC
3.Tải R-L (Tải trở cảm)
- Sơ đồ mạch.
14
3.1.Trường hợp dẫn không liên tục






+<
π
π
β
4
Giải tương tự như chỉnh lưu bán kỳ,ta có các kết quả sau:
+ Dòng
( )
ti

( ) ( )















−+−=






−
4
4
sinsin
π
ω
ω
π
φφω
t
L
R
M
et
Z

V
ti
+ Hệ thức liên hệ giữa góc kích va góc tắt:
( )






−






−=−
4
4
sinsin
π
β
ω
φ
π
φβ
L
R
e

+ Trị số trung bình hiệu điện thế và dòng điện:






−=
β
π
π
4
cos
M
LDC
V
V






−=
β
π
π
cos
4
cos

R
V
I
M
LDC
3.2.Trường hợp dẫn liên tục






+=
π
π
β
4
- Ta có trị trung bình.
4
cos
π
π
M
LDC
V
V =
4
cos
π
π

R
V
I
M
LDC
=
3.3.Hiện tượng trùng dẫn.
Ta chỉ xét khi dòng qua tải liên tục trong mạch chỉnh lưu một pha toàn kỳ
có điều kiện tải R-L>do dòng ra liên tục nên lúc SCR của bán kỳ này chuẩn
bị tắt và SCR của bán kỳ kia lại bắt đầu dẫn khi đó xảy ra hiện tượng trùng
dẫn và dạng song như hình vẽ(với
°= 45
α
)
- Diode dập trong mạch chỉnh lưu toàn kỳ.
Khi có Diode dập dẫn dòng cảm ứng ,góc tắt sẽ là
πβ
=
.Dòng qua diode
dập trong khoảng từ
π
đến
4
π
π
+
hay
44
π
π

π
π
=−+
,Vậy có:






+==
4
cos1
44
π
ππ
π
π
π
R
V
II
M
AVD
Điều kiện để dòng diode cực đại là:
15
0
4
sin
44

cos1
4
0
4
=












−






+
=⇒=
π
πππ
π
ππ

R
V
d
dI
d
dI
MDD
4.Tải R-L-E
Tải R,L và
dc
V
cho sẵn
- Trường hợp này góc kích phải.








≥=
−
M
dc
V
V
1
sin
4

π
α
và








−≤=
−
M
dc
V
V
1
sin
4
π
π
α
- Dòng tức thời i(t).
16
( ) ( )
τ
ω
φω
t

dc
M
Ke
R
V
t
Z
V
ti
−
+−−= sin
Khi
βω
π
<< t
4
=0 Khi
πωβ
2<< t
- Dòng trung bình :
R
VV
I
dcAV
AV
−
=
4
cos
2

π
π
M
AV
V
V =
Khi
4
π
α
=
(
2
π
α
>
):
0<
LDC
V
Ta có:SCR không hoạt động được.
Trong trường hợp tải là động cơ DC,thì
dc
V
chính là sức điện động của
động cơ.Động cơ sẽ hoàn trả năng lượng tích lũy troang động cơ vào mạch
điện AC khu vực.Đúng hơn,trường hợp này động cơ DC(máy điện DC) trở
thành máy phát điện và bộ chỉnh lưu (bộ biến đổi) hoạt động nghịch lưu
(Inverter)
- Tóm lại ta có:Với góc kích

4
π
α
=
thì là nghịch lưu.
III.Sơ đồ cầu một pha.
1.tải R
Sơ đồ cấu tạo và dạng sóng như sau:
17
Ta có khi
1
θ θ
=
;i
1,3
>0,T1,T3 dẫn
2d
u u⇒ =
( Với
4
π
θ
=
)
Khi
4
π
θ π
= +
;i

2,4
>0, T2,T4 dẫn
2d
u u⇒ =
Nên dòng i
d
là dòng gián đoạn
Trị trung bình điện áp trên tải u
d
4
1
2 sin
d
u d
π
π
θ θ
π
=
∫
,
2
2
(1 os )
d
u
u c
α
π
= +

với(
4
π
α
=
)
Trị trung bình dòng điện trên tải

d
d
u
i
R
=
Trị trung bình dòng qua mỗi SCR

2
d
i
i
τ
=
Điện áp ngược cực đại trên mỗi SCR
ax 2
2
m
u u
τ
= −
2.Chỉnh lưu cầu điều khiển toàn phần.

Sơ đồ cấu tạo và dạng sóng như sau
18
3.Chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng:
Sơ đồ mạch và dạng sóng:
19
20
Tài liệu tham khảo
1. Điện tử công suất, Nguyễn Bính, Nhà xuất bản KHKT, Hà Nội.
2. Bài tập và giải mạch điện tử công suất, Nguyễn Bính, Nhà xuất bản
KHKT, Hà Nội
3.giáo trình điện tử công suất,trường dh công nghiệp tp.hồ chí minh
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN














21
22