CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN DÙNG TIRISTO

Chơng 3
Chỉnh lu có điều khiển dùng Tiristo
3-1. Khái niệm chung
ở chơng trớc chúng ta đã xét các mạch chỉnh lu dùng điốt. Trong các mạch
này ta không thể điều khiển (thay đổi theo ý muốn) trị số trung bình của điện áp
chỉnh lu U
do
.
Trong chơng này chúng ta sẽ thấy rằng cũng trong các mạch chỉnh lu nh vậy
nếu thay các điốt bằng các tiristo thì ta sẽ dễ dàng điều khiển đợc U
do
bằng cách
thay đổi thời điểm mở của các tiristo.
Điều này cho phép chúng ta dùng tiristo để điều khiển với hiệu suất rất cao
các thiết bị dùng điện một chiều nh các động cơ điện một chiều , các lò điện, các
máy hàn điện và các đèn chiếu sáng, v.v
Nh ta đã biết ở chơng 1, điốt sẽ mở khi hiệu thế giữa anốt và catốt trở nên d-
ơng (U
AK
> 0 ) còn tirito chỉ mở khi đồng thời thoả mãn cả 2 điều kiện : U
AK
> 0 và
có tín hiệu dơng U
GK
hoặc I
G
tác dụng vào cực điều khiển G của tiristo. Do đó tiristo
thờng mở chậm hơn điốt tơng ứng một góc nào đó. Góc này đợc gọi là góc mở
chậm của tiristo , ta có :
= (3.1)
Trong đó:

- tần số góc của dòng điện xoay chiều
- thời gian tính từ thời điểm mở điốt tơng ứng ( U
AK
bắt đầu dơng ) đến thời
điểm mở tiristo ( có tín hiệu điều khiển I
G
).
Trong các mạch chỉnh lu dùng tiristo đều đợc cung cấp từ nguồn điện xoay
chiều một pha hoặc 3 pha . Do đó các tiristo chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái
khoá thờng bằng cáh tự nhiên. Điều này có nghĩa là mỗi tiristo sẽ khoá lại khi dòng
điện qua nó đi qua trị số không, hoặc nó bị phân cực ngợc một cách tự nhiên theo
quy luật của nguồn điện xoay chiều và tính chất phụ tải .
3-2. các chế độ cung cấp điện cho một phụ tải qua mạch
chỉnh lu dùng tiristo .
Khi cung cấp diện cho một phụ tải qua bộ chỉnh lu dùng tiristo ta có thể gặp
2 chế độ cung cấp sau đây:
3-2-1. Chế độ cung cấp gián đoạn : ở chế độ cung cấp này dòng điện qua
phụ tải không liên tục .
26
Để minh hoạ chế độ này ta xét một mạch chỉnh lu 1 pha một nửa chu kì nh
Hình 3-1
Trong mạch này tiristo Th đợc điều khiển bằng các xung dòng điện i
G
xuất
hiện chậm sau điện áp u một góc pha nào đó nh hình 3-1b.
Khi có tín hiệu i
G
, tiristo sẽ mở, nên góc đợc gọi là góc mở chậm của
tiristo. Khi tiristo mở thì điện áp ở 2 đầu phụ tải :
tUuu

md

sin==
còn dòng điện i
d
qua phụ tải đợc xác định từ phơng trình

tUuRi
dt
di
L
md
d

sin==+
(3.1)
Nghiệm của phơng trình này sẽ là :

t
L
R
m
d
Aet
z
U
i

+= )sin(
( 3.2 )
Trong đó
22
)( LRz

+=
- tổng trở phụ tải ( 3.3)
R
L
arctg


=
A hằng số tích phân đợc xác định từ điêud kiện ban đầu.
Căn cứ vào biểu thức này của i
d
ta có dạng đờng cong i
d
nh hình 3-1b. Tại góc
pha nào đó i
d
giảm đến không và tiristo tự động tắt . Do đó đợc gọi là góc tắt của
tiristo . Tiristo tiếp tục tắt cho tới thời điểm xung i
G
tiếp theo ở chu kì của điện áp u.
Nh vậy trong mỗi chu kì của u dòng điện qua phụ tải i
d
chỉ tồn tại trong

khoảng từ đến , còn từ đến 2 dòng điện i
d
= 0. Nói cách khác dòng điện qua
phụ tải là một dòng điện gián đoạn.
3-2-2. Chế độ cung cấp liên tục : ở chế độ này dòng điện qua phụ tải là một
dòng điện liên tục (luôn luôn lớn hơn không )
27

u

R
L
u
d
T
u
1
u
d
u
2
u
2

2

1

2

Để minh hoạ chế độ này ta xét một mạch chỉnh lu một pha hai nửa chu kì nh
hình 3-2a.

Hình 3-2
Trong mạch này các tiristo T
1
và T
2
đợc điều khiển bằng các xung dòng điện
i
G1
và i
G2
, ở mỗi chu kì xung điều khiển i
G1
đợc cho trên cực điều khiển của T
1
chậm
sau điện áp u
1
một góc , còn i
G2
đợc cho trên cực điều khiển của T
2
chậm sau i
G1
một góc nh hình 3-2b.
Tại góc có i
G1
và u

1
> 0 nên Th
1
mở :
( )
t
L
R
m
Thd
Aet
z
U
ii




+== sin
1
( 3.4)
và có dạng nh đờng cong i
Th1
hình 3-2b.
Tại góc + , có i
G2
và u
2
> 0 , T
2

mở. Khi T
2
mở u
K
= u
A2
= u
2
. Điện áp trên
tiristo lúc đó sẽ là :
U
A1K
= u
A1
u
K
= u
1
u
2
< 0, nên T
1
khoá lại , nh vậy sự mở của một tiristo
sẽ dẫn đến sự khoá của một tiristo khác. khi tiristo T
2
mở , i
d
= i
Th2
và có dạng giống

nh i
Th1
ở nửa chu kì trớc. Bây giờ ta hãy xem với điều kiện nào thì dòng điện i
d
qua
phụ tải là liên tục , ta dễ dàng thấy rằng để i
d
liên tục thì ngay trớc khi mở Th
2
, dòng
điện i
d
= i
Th1
cha giảm đến không. Nói cách khác dòng điện i
d
ở các góc pha và
+ lớn hơn không. Ta có:
( )
( )
( ) ( )
( )
( )

L
R
L
R
m
L
R
md
L
R
m
d
eAe
z
u
AeUi
Ae
z
U
i

+

+=
++++

+=
sin
sin
sin
Vì
( ) ( )
dodd
iii ==
+

Nên
( ) ( )
( )





+
+=+
L
R
m
L
R
m
Ae
z
U
Ae

z
U
sinsin
( 3. 5 )
Từ đây ta rút ra :
( )








=






L
R
m
L
R
e
z
U
Ae 1/sin

2
28

T
1
u
21
Tải
u
22
u
1
T
2

u
d
i
d
i
d
u
d

1

2


2

và ta có :
)1(
)sin(
2
)sin(




L
R
mm
do
e
z
U
z
U
i



=

+
=









=

L
R
L
R
m
L
R
m
e
e
z
U
e
z
U
1
1
)sin(
1
2
1)sin(
( 3.6)

vì
0
1
1
>

+






L
R
L
R
e
e
nên để i
do
>0 cần có
0)sin( <

z
U
m
Từ đó suy ra điều kiện để i
do
liên tục (i

do
> 0) là sin ( - ) < 0 hoặc <
trong đó
R
L
arctg


=
Nh vậy điều kiện để chỉnh lu một pha hai nửa chu kì làm việc ở chế độ cung
cấp liên tục là góc mở chậm của tiristo :
<
3-3. sơ đồ chỉnh lu cầu một pha dùng tiristo
Trong sơ đồ này ngời ta dùng 4 tiristo T
1
, T
2
, T
3
, T
4
. Các tiristo này đợc điều
khiển bằng các xung dòng điện điều khiển tơng ứng i
G1
, i
G2
, i
G3
, i
G4

. Thông thờng các
xung dòng điện này đợc cung cấp từ một máy phát xung chung (không vẽ trong
hình 3-3a).
29
Hình 3.3 Chỉnh lu cầu một pha có điều khiển
Tải
T
3
T
1
T
4
T
2
u
d
i
d


1


2


u
u
d
u

2

u
2
Mạch chỉnh lu đợc cung cấp từ một nguồn điện xoay chiều qua biến áp với
điện áp thứ cấp :
u
2
= U
2m
sint
Các xung điều khiển i
G1
, i
G2
, i
G3
, i
G4
có cùng chu kì với u
2
nhng xuất hiện
không đồng thời với u
2
.
Các xung i
G1
, i
G3
xuất hiện sau u

2
một góc pha , còn các xung i
G2
, i
G4
xuất
hiện sau u
2
một góc + (hình3-3b).
Trong nửa chu kì đầu của u
2
, (0 t ), u
2
> 0, các tiristo T
1
và T
3
đợc phân
cực thuận. Do đó tại t = (có i
G1
và i
G4
), các T
1
và T
3
mở. Lúc đó dòng điện đi từ
điểm A qua T
1
đến điểm M qua phụ tải đến điểm N qua T

3
về điểm B.
Các tiristo này mở cho đến lúc t = . Tại t = , u
2
= 0. Dòng qua tiristo
cũng bằng không (vì ở mạch thuần trở dòng điện cùng pha với điện áp ) và tiristo tắt
một cách tự nhiên.
Trong thời gian các tiristo này mở ( t ) điện áp chỉnh lu (điện áp ở
hai đầu phụ tải ) là:
u
d
= u
2
= U
2m
sint
dòng điện qua phụ tải và tiristo T
1
là :
t
R
U
R
u
ii
md
Thd

sin
2

1
===
còn điện áp trên tiristo T
1
là u
T1
= 0.
Sang nửa chu kì hai của u
2
( t 2) u
2
< 0, các tiristo T
2
và T
4
đợc phân
cực thuận. Do đó tại góc pha + (có i
G2
và i
G4
) các tiristo T
2
và T
4
mở, lúc đó dòng
điện đi từ điểm B qua T
2
đến điểm M qua phụ tải đến điểm N qua T
4
về điểm A.

Các tiristo này mở cho đến t = 2 . tại t = 2, u
2
= 0 dòng điện qua tiristo
bằng không và tiristo tắt một cách tự nhiên. Trong thời gian các tiristo T
2
và T
4
mở,
điện áp chỉnh lu.
u
d
= -u
2
= -U
2m
sint
và dòng điện qua phụ tải và tiristo T
2
là :
t
R
U
R
u
ii
md
Thd

sin
2

2
===
với sự mở của T
2
và T
4
, u
M
= u
B
và u
N
=u
A
. Lúc đó điện áp trên các tiristo T
1
và T
3
sẽ
là :
0
0
2
2
3
1
<===
<===
uuuuuu
uuuuuu

BABNT
BAMATh
30
Do đó các tiristo T
1
và T
3
khoá lại (i
Th1
= 0 ), nh vậy sự mở của một đôi tiristo
sẽ dẫn đến sự khoá một cách tự nhiên đôi tiristo khác và các đờng cong biến thiên
của u
d
, i
d
và u
Th1
có dạng nh hình 3-3b.
Từ đờng cong dòng điện i
d
ta thấy rằng trong mạch chỉnh lu này phụ tải đợc
cấp điện theo chế độ gián đoạn.
a) Các thông số của mạch chỉnh lu cầu một pha dùng thyristor khi phụ tải
thuần trở.
- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lu

=

2
0
2
1
' tduU
dodo
( 3.7)
Từ đờng cong u
d
hình 3-3b, ta có :
( )

+==






cos1sin
2
2
'
2
2
m
mdo
U
ttdUU
( 3.8)

Trong đó U
2m
biên độ điện áp thứ cấp của máy biến áp .
Ta dễ dàng thấy rằng khi thay đổi từ 0 ữ thì U
do
thay đổi từ

m
U
2
2
đến 0.
Do đó ta có thể điều khiển U
do
bằng cách thay đổi .
- Điện áp ngợc cực đại trên mỗi tiristo U
ngmax
Từ đờng cong u
Th1
hình 3-3b ta suy ra U
ngmax
= U
2m
khi góc mở chậm của
tiristo
2



Nếu

2


>
thì U
ngmax
= U
2m
sin
- Hệ số nhấp nhô của điện áp chỉnh lu
do
dd
U
uu
K
'2
minmax
'
0

=
( 3.9)
Đối với mạch chỉnh lu này u
dmin
= 0, u
dmax
= U
2m
khi
2

và u
dmax
= U
2m
sin
khi
2


>
. Do đó khi
2



, ta có:

Khi
2


>
, ta có :
31
( )
( )

cos12
cos12
0
2
2
'
0
+
=
+

=
m
m
U
U
K
( )
( )





cos12
sin
cos12

sin
2
2
'
0
+
=
+
=
m
m
U
U
K
- Giá trị trung bình của dòng điện qua phụ tải :
( )


cos1
2
'
+==
R
U
R
U
I
mdo
d
(3.10)

- Trị số cực đại i
max
trị số hiệu dụng I và trị số trung bình i
0
của dòng điện qua
mỗi tiristo .
Từ đờng cong dòng điện i trên 3-3b ta có:

=
==
tdiI
R
U
ii
Th
m
d


2
2
maxmax
1
2
1
(3.11)
khi thay vào biểu thức này
R
tU
i

m
Th

sin
2
1
=
ta nhận đợc :
( )
2
'
cos1
22
1
cossin
2
0
2
1
dm
Th
m
I
R
U
tdiI
R
U
I
=+==

+
=









( 3.12)
- Trị số hiệu dụng I
2
của dòng điện thứ cấp và công suất S của máy biến áp.
ở mỗi nửa chu kì của điện áp u
2
, dòng điện qua cuộn dây thứ cấp chính là
dòng điện qua các tiristo mở . Do đó:








cossin
2
cossin

2
2
cossin
2
2
2
2
2
22
22
2
2
2
1
+
=
+
==
+
==

R
U
R
UU
IUS
R
U
tdiI
m

mm
m
Th
( 3.13)
- Hệ số công suất của mạch thứ cấp máy biến áp:
( )
( )









cossin
cos1
2
1
cossin
2
cos1
''
cos
2
2
2
2
2

2
2
2
2
+
+
=
+
+
=
==
R
U
R
U
S
IU
S
P
m
m
ddod
( 3.14)
3.4 Mạch chỉnh lu cầu một pha không đối xứng
Sơ đồ nguyên lý nh hình 3. 4
32
Tải R-L
Khi =
1
cho xung điều khiển mở T

1
, trong khoảng
1
,
2
tiristor T
1
và điôt
D
2
cho dòng chảy qua; khi u
2
bắt đầu đổi dấu, D
1
mở ngay, T
1
tự nhiên khoá lại
dòng i
d
= I
d
chuyển từ T
1
sang D
1
. D
1
và D
2
cùng cho dòng chảy qua, U

d
= 0.
Khi =
3
= + cho xung mở T
2
. Dòng tải
i
d
= I
d
chảy qua D
1
và T
2
, điôt D
2
bị khoá lại.
Trong sơ đồ này góc dẫn dòng của tiristor và điôt không bằng nhau.
Góc dẫn dòng của điôt
D
= +
Góc dẫn dòng của tiristor
T
= -
Giá trị trung bình của điện áp tải:

+
==

cos
22
sin2
1
2
dUU
d
( 3.15)
Dòng tải
R
U
I
d
d
=
Sơ đồ dạng sóng đầu ra nh hình 3.4
3.4 Mạch chỉnh lu ba pha hình tia dùng tiristor :
Do điện áp ba pha u
1
, u
2
, u
3
lệch pha nhau 120
0

, do đó tại từng thời điểm mỗi
pha có điện áp dơng hơn hai pha kia trong khoảng 120
0
. Việc cấp xung điều khiển
chỉnh lu phải thoả mãn hia điều kiện:
- Tại thời điểm cấp xung điện áp pha tơng ứng dơng
- Nếu có các tiristor nào đó đang dãn thì điện áp pha tơng ứng phải dờn hơn
pha kia, vì thế cần xét tới thời điểm cấp xung đầu tiên
Sơ đồ nguyên lý nh hình vẽ:
33
T
1
i
d
Tải
T
2
T
3
u
d
u
1
u
2
u
3
Hình 3.5 Sơ đồ chỉnh lu ba pha hình tia dùng tiristor
T
1

T
4
D
1
D
2
u
d
i
d
Tải
Hình 3. 4 Sơ đồ mạch chỉnh lu bán điều khiển

u
d

i
d
I
d



1

2
3.4.1 Hoạt đông của sơ đồ:
Sơ đồ ba pha hình tia hoạt động và tạo nên điẹn áp chỉnh lu u
d
khác nhau tuỳ

theo độ lớn của góc mở, tuỳ theo đặc tính của tải
khi

= 0
0
Các tiristor đợc cấp xung điều khiển lần lợt ngay tại giao điểm các điện áp
pha. điện áp chỉnh lu sẽ cực đại bằng U
m
, còn điện áp ngợc cực đại khi tiristor bị
khoá u
mg max
=
2
6U

Khi < 30
0
Ví dụ trên hình 3.6b góc mở = 20
0
. Không phụ thuộc vào tính chất của điện áp
tải và dòng điện chỉnh lu liên tục
Tại
1
cấp xung điều khiển cho T
1
. Vì u

dơng nhất nên T
1
mở, điện áp rơi trên

tiristor có
thể bỏ qua,
điện áp trên
tải bằng
điện áp
nguồn. Đến

2
cấp xung
điều khiển
34
Hình3.6 Dạng sóng điện áp và dòng điện chỉnh lu
cho tiristor T
2
, lúc này u
B
dơng nhất nên T
2
mở. Khi T
2
đãn điện áp ngợc đặt lên T
1
là
điện áp dây, do đó trị số điện áp ngợc cực đại là
2
6U
Khi > 30
0
Tải thuần trở do có van đang dẫn sớm hơn thời điểm mở tiristor của pha kế tiếp,
do đó có vùng các tiristor đều bị khoá

3.4.2 Dạng sóng điện áp và dòng điện chỉnh lu
Dạng sóng dòng điện chỉnh lu phụ phụ thuộc vào tính chất phụ tải thuần trở,
dòng điện i
d
cùng dạng sóng u
d
(hình 3. 6a). Khi điện kháng tải tăng lên, dòng điện
càng trở nên bằng phẳng và khi L
D
tiến tới vô cùng dòng điện một chiều sẽ không
đổi (hình 3. 6d)
Điện áp trung bình của tải đợc xác định theo biểu thức:








cos
2
63
sin
2
23
2
3
3
U

d
U
U
d
==

+
+
( 3.16)
Trên hình 3. 6c ta nhận thấy điện áp áp u
d
thay đổi theo góc mở . Khi <
90
0
thì u
d
dơng và bộ biến đổi làm ciệc ở chế độ chỉnh lu. Khi > 90
0
thì u
d
âm và
bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lu, khi đó bộ biến đổi làm việc ở chế độ
nghịch lu và phát công suất cho nguồn.
Để xác định công suất máy biến áp ta tính công suất sơ cấp: S
1
=3. U
p1
. I
p1
U

p1
, I
p1
là điện áp , dòng điện hiệu dụng sơ cấp
Công suất thứ cấp: S
1
=3. U
p2
. I
p2
U
p2
, I
p
là điện áp , dòng điện hiệu dụng thứ cấp
35
Công suất một chiều trên tải: P
d
= U
d
. I
d
Quan hệ giữ dòng điện hiệu dụng và thứ cấp theo I
d
:
3
2
d
I
I =

3
2
1
d
I
kI =
Từ đó suy ra : S
1
=1.21P
d

S
2
=1,48P
d
3.5 Mạch chỉnh lu cầu ba pha dùng tiristor
Sơ đồ nguyên lý nh
hình 3.7
Đây là chỉnh lu ba pha
hai nửa chu kỳ với hai
nhóm: T
1
, T
3
, T
5
hình
thành nhóm catôt
chung; còn T
2

, T
4
, T
6
hình thành nhóm anôt
chung;
Giả thiết T
5
và
T
6
đang dẫn nên
Tại
1
= /6 +
cho xung điều khiển mở T
1
. Tiristor này sẽ mở vì u
A
> 0. Sự mở của T
1
làm cho T
3
bị
khoá một cách tự nhiên vì u
A
> u
C
. Lúc ày T
1

và T
6
dẫn và điện áp trên tải là: u
d
= u
A
u
B
Tại
2
= 3/6 + cho xung điều khiển mở T
2
. Tiristor này sẽ mở vì u
B
> 0. Sự
mở của T
2
làm cho T
6
bị khoá một cách tự nhiên vì u
B
> u
C
. Lúc ày T
1
và T
6
dẫn và
điện áp trên tải là: u
d

= u
B
u
C
Các xung điều khiển lệch nhau /3 lần lợt đợc đa đến các cực điều khiển theo
thứ nh sau:
Thời điểm Mở Khoá
/6 +
T
1
T
5
3/6 +
T
2
T
6
5/6 +
T
3
T
1
7/6 +
T
4
T
2
9/6 +
T
5

T
3
11/6 +
T
6
T
4
Dạng sóng điện áp ra trên hình 3.8
36
T
3
T
1
T
4
T
6
u
a
Tải
u
d
i
d
T
5
T
2
u
b

u
c
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lu cầu 3 pha dùng tiristor
Điện áp trung bình trên tải đợc tính theo công thức :








cos
63
sin
2
26
2
6
5
6
U
d
U
U
d
==

+
+

( 3.17)
Công suất định mức của máy biến áp : S
1
= S
2
=1,05.P
d
Câu hỏi ôn tập
1. Trình bày nguyên lý hoạt động của các mạch chỉnh lu có điều khiển: hình cầu
một pha, hình cầu ba pha, hình tia ba pha
2. Nêu ứng dụng của các sơ đồ chỉnh lu

37
Hình 3.8 Chỉnh lu cầu ba pha có điều khiển
a) dạng sóng khi góc mở nhỏ; b) Dạng sóng khi góc mở lớn