Giáo trình điện tử công suất

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
KHOA ĐIỆN TỬ TIN HỌC



GIÁO TRÌNH

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
(Giáo trình lưu hành nội bộ)

Tác giả: ThS.NGUYỄN NGỌC HOAN
GV. HÀ TRỌNG HIẾU

Bắc Giang, tháng 12/2016

1


LỜI NÓI ĐẦU
Điện tử công suất là kiến thức chuyên nghành chuyên sâu của ngành điện
tử.
Giáo trình Điện tử công suất được biên soạn theo chương trình do tiểu ban
soạn thảo chương trình của trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghiệp thông qua.
Giáo trình được biên soạn từ các bài giảng của tác giả trong nhiều năm
giảng dạy tại Khoa Điện tử - Tin học và các giáo trình của các tác giả đã được
thẩm định. Nội dung được biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu và có tính logic.
Khi biên soạn giáo trình, tác giả đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới
liên quan đến nội dung của môn học, phù hợp với đối tượng đào tạo, gắn những
nội dung lý thuyết với những vấn đề thực tế thường gặp để giáo trình có tính
thực tiễn cao.

Giáo trình gồm 3 chương:
CHƯƠNG 1: CHỈNH LƯU.
CHƯƠNG 2: MẠCH ĐIỀU KHIỂN SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU.
CHƯƠNG 3 : NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP.
CHƯƠNG 4: CÁC BỘ BIẾN TẦN.
Tác giả chân thành cảm ơn sự đóng góp ý kiến quý báu của các thầy cô
trong khoa Điện tử - Tin học để giáo trình hoàn thiện hơn.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng giáo trình cũng không thể tránh khỏi
những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các bạn
đọc để giáo trình hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về khoa Điện tử Tin học trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghiệp. Số 202 đường Trần Nguyên
Hãn, thành phố Bắc Giang, tỉnh Bắc Giang.
Tác giả

2


MỤC LỤC:
LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................2

MỤC LỤC:...........................................................................................................3
LỜI NÓI
ĐẦU...........................................................................................................2.........3
CHƯƠNG I: CHỈNH LƯU................................................................................4
1.1 Các linh kiện bán dẫn công suất..................................................................4
1.2 Cấu trúc chung của sơ đồ chỉnh lưu..........................................................14
Hình 1.8. Chỉnh lưu diode hình tia Hình 1.9. Đồ thị điện áp.........................16
Hình 1.8. Chỉnh lưu diode hình tia Hình 1.9. Đồ thị điện áp.........................18
1.4. Chỉnh lưu 1 pha hai nửa chu kỳ................................................................18
Hình 1.10. Chỉnh lưu diode 2 nửa chu kỳ Hình 1.11. Giản đồ tín hiệu........18
1.5. Chỉnh lưu 1 pha hình cầu..........................................................................23

1.6. Chỉnh lưu 3 pha hình tia...........................................................................28
1.7. Chỉnh lưu 3 pha hình cầu..........................................................................33
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1..............................................................41
CHƯƠNG 2: MẠCH ĐIỀU KHIỂN SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU..........................42
2.1. Giới thiệu chung.......................................................................................42
2.2. Khâu đồng bộ hóa và phát sóng răng cưa.................................................47
2.3. Khâu so sánh.............................................................................................59
2.4. Khâu tạo xung...........................................................................................60
2.5. Ghép nối mạch điều khiển và mạch động lực..........................................67
CHƯƠNG 3: NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP........................................................69
3.1 Khái niệm chung........................................................................................69
3.2 Nghịch lưu độc lập nguồn dòng................................................................70
3.3 Nghịch lưu độc lập nguồn áp.....................................................................74
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 3..............................................................83
CHƯƠNG 4: CÁC BỘ BIẾN TẦN..................................................................84
4.1. Khái niệm chung.......................................................................................84
4.2.Biến tần trực tiếp.......................................................................................87
4.3 Giới thiệu một số bộ biến tần trong thực tế...............................................90

3


CHƯƠNG I: CHỈNH LƯU

1.1 Các linh kiện bán dẫn công suất
1.1.1. Điốt công suất
a. Cấu trúc và kí hiệu
Điốt gồm 2 điện cực, điện cực được nối với bán dẫn loại P được gọi là
anốt (A), điện cực được nối với miền N được gọi là katốt (K).

Hình 1.1: Cấu trúc và ký hiệu của điốt công suất

Dòng điện chảy qua điốt làm điốt nóng lên, chủ yếu tại vùng chuyển tiếp,
Đối với điốt loại Si, nhiệt độ mặt ghép Tj cho phép là 200°C.Vượt quá nhiệt độ
này điốt có thể bị phá hỏng. Để làm mát điốt, người ta thường dùng cánh tản
nhiệt được quạt mát với tốc độ gió 10m/s, hoặc cho nước hay dầu biến thế chảy
qua cánh tản nhiệt với tốc độ lớn hay nhỏ tùy theo dòng điện.
b. Đặc tính Vôn-Ampe của điốt
Gồm 2 nhánh: nhánh thuận (1) và nhánh ngược (2).
Dưới điện áp U>0, điốt phân cực thuận, điện thế giảm xuống gần bằng 0.
Khi tăng U, lúc đầu dòng tăng từ từ, sau khi U lớn hơn 0, đến khi điện áp thuận
có giá trị cỡ khoảng 0.7V đối với Si và khoảng 0.3V với Ge. Khi điện áp thuận
vượt quá giá trị này thì dòng thuận tăng một cách đáng kể,đường đặc tính có
dạng hàm mũ.
Khi điện áp U<0, điốt bị phân cực ngược. Khi tăng |U|, dòng điện ngược
cũng tăng từ từ đến khi |U|>0.1V, dòng điện ngược dừng lại ở giá trị vài chục
mA. Dòng điện này sẽ phá hỏng điốt, vì vậy để bảo vệ điốt người ta chỉ cho
chúng làm việc dưới điện áp U = (0.7÷0.8V)Uz.

4


c. Thông số cơ bản của điốt
- Iđm - dòng điện định mức, giá trị trung bình của dòng điện cho
phép chạy qua điốt, hiện nay dòng điện lớn nhất của một diod công suất tới
7000A
- AU - sụt áp thuận; Sụt áp của diod trong khoảng (0,7 - 2)V
- Tcp- nhiệt độ làm việc cho phép; Tại lớp tiếp giáp khoảng 200 0C
- UNgmax - điện áp ngược lớn nhất mà điốt có thể chịu đựng được, trong
khoảng (50-4000)V

- Irmax - dòng điện nghịch tối đa tần số đóng cắt của điôt t r - thời gian
phục hồi của điôt
d. Các điốt đặc biệt
- Schottky điốt: độ sụt áp theo chiều thuận thấp (khoảng 0,3V). Do
đó, nó được sử dụng cho các mạch điện áp thấp. Điện áp ngược chịu được
khoảng 50 - 100V
- Điốt phục hồi nhanh: được áp dụng trong các mạch hoạt động tần số
cao. Khả năng chịu áp đến vài ngàn volt và dòng vài trăm Amper, thời gian
phục hồi t khoảng vài μs.
- Điốt tần số công nghiệp: các điốt tần số công nghiệp được chế tạo
để đạt độ sụt áp thấp khi dẫn điện. Hệ quả, thời gian t tăng lên. Khả năng
chịu áp của chúng khoảng vài kilovolt và dòng điện vài kiloampe.

5


1.1.2. Transistor BJT
a. Cấu tạo, ký hiệu::
Transistor là linh kiện bán dẫn gồm 3 lóp: PNP hay NPN.

Cấu tạo của transistor NPN

Ký hiệu của transistor NPN

Cấu tạo của transistor PNP

Ký hiệu của transistor NPN

Về mặt vật lý, transistor gồm 3 phần: phần phát, phần nền và
phần thu. Vùng nền (B) rất mỏng.

b. Nguyên lý hoạt động:
Điện thế UEE phân cực thuận mối nối B-E (PN) là nguyên nhân làm
cho vùng phát (E) phóng điện tử vào vùng P (cực B). Hầu hết các điện tử
(electron) sau khi qua vùng B rồi qua tiếp mối nối thứ hai phía bên phải
hướng tới vùng N (cực thu), khoảng 1% electron được giữ lại ở vùng B. Các
lỗ trống vùng nền di chuyển vào vùng phát.

Hình 1.2: Sơ đồ phân cực cho Transistor

Mối nối B-E ở chế độ phân cực thuận như một diode, có điện kháng
nhỏ và điện áp rơi trên nó nhỏ thì mối nối B-C được phân cực ngược bởi
điện áp UCC. Bản chất mối nối B-C này giống như một diode phân cực
ngược và điện kháng mối nối B-C rất lớn. Dòng điện đo được trong vùng

6


phát gọi là dòng phát IE. Dòng điện đo được trong mạch cực C (số lượng
điện tích qua đường biên CC trong một đơn vị thời gian là dòng cực thu IC).
Dòng IC gồm hai thành phần:
- Thành phần thứ nhất (thành phần chính) là tỉ lệ của hạt electron ở
cực phát tới cực thu. Tỉ lệ này phụ thuộc duy nhất vào cấu trúc của transistor
và là hằng số được tính trước đối với từng transistor riêng biệt. Hằng số đã
được định nghĩa là a. Vậy thành phần chính của dòng IC là aIE. Thông
thường a = 0,9 → 0,999.
- Thành phần thứ hai là dòng qua mối nối B - C ở chế độ phân cực
ngược lại khi IE = 0. Dòng này gọi là dòng ICBO- nó rất nhỏ.
- Vậy dòng qua cực thu: IC = aIE + ICBO.
c. Đặc tuyến V - A của transistor:
Đặc truyến V - A của transistor mắc Emitter chung như hình sau. Đặc

tuyến V-A của transistor được chia ra làm 3 vùng: Vùng cấm, vùng khuếch
đại và vùng bão hoà.

Hình 1.3: Đặc tuyến volampe của Transistor

Trong các ứng dụng của điện tử công suất lớn, người ta chỉ phân cực
cho transistor ở vùng bão hoà (IB lớn) và vùng cấm (IB = 0) mà không phân
cực cho transistor ở vùng khuếch đại. Các thông số của transistor công suất:
IC: Dòng colector mà transistor chịu được, UCEsat là điện áp UCE khi
transistor dẫn bão hòa, UCEO: Điện áp UCE khi mạch bazơ để hở, IB = 0,
UCEX là điện áp UCE khi bazơ bị khóa bởi điện áp âm, IB < 0, ton: Thời
gian cần thiết để UCE từ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống UCESat ~ 0, tf:
Thời gian cần thiết để ic từ giá trị IC giảm xuống 0, ts: Thời gian cần thiết
để UCE từ giá trị UcESat tăng đến giá trị điện áp nguồn U, P: Công suất tiêu

7


tán bên trong transistor.
Công suất tiêu tán bên trong transistor được tính theo công thức:
P = U BE - I B + U CE .I C
Khi transistor ở trạng thái ngắt:
IB = 0, Ic = 0 nến P = 0.
Khi transistor ở trạng thái dẫn:
UCE = UCESat
Các tổn hao chuyển mạch của transistor có thể lớn. Trong lúc chuyển
mạch, điện áp trên các cực và dòng điện của transistor cũng lớn. Tích của
dòng điện và điện áp cùng với thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao năng
lượng trong một lần chuyển mạch. Công suất tổn hao chính xác do chuyển
mạch là hàm số của các thông số của mạch phụ tải và dạng biến thiên của

dòng điện gốc.
1.1.3. Thyristor
a.Cấu tạo
Thyristor còn được gọi là SCR (Silicon Controlled Rectifier: diod
chỉnh lưu được điều khiến bởi cực cổng silicium). SCR gồm 4 lớp bán dẫn
P-N ghép nối tiếp nhau và được nối ra 3 chân .
Chân cho dòng điện vào gọi là cực Anod viết tắt A ,chân cho dòng
điện ra gọi là cực Catod viết tắt K ,chân điều khiến cho dòng điện đi từ A
qua K gọi là cực Gate (cực cửa hay cực cổng ) viết tắt G

8


b. Nguyên lý họat động và đặc tính của SCR
Để phân tích nguyên lý họat động của SCR, ta có the xem SCR giống
như 2 transistor gồm 1 transistor lọai NPN và 1 transistor loại PNP ghép lại
theo kieu cực C của NPN nối với cực B của PNP và ngược lại cực C của
PNP nối với cực B của NPN.
Xét mạch thực nghiệm sau:

Hình 1.4: Minh họa hoạt động của SCR

Mạch thực nghiệm SCR được vẽ theo kiếu cấu trúc của SCR gồm 2
transistor, transistor lọai NPN gọi là T1 và transistor lọai PNP gọi là T2.
+ Trường hợp khóa K để hở hay UG = 0V .
Khi điện áp ở cực G bằng 0V tức T1 chưa có dòng phân cực IB1 nên T1
chưa dẫn => IB1 = 0, IC1 = 0, nên IB2 = 0 và T2 cũng ngưng dẫn. Như vậy
trường hợp này SCR không dẫn điện được, dòng điện qua SCR là IA = 0 và
UAK = Ucc Tuy nhiên khi tăng điện thế nguồn Ucc lên đến giá trị đủ lớn tức
điện áp trên SCR cũng tăng theo và khi đạt đến giá trị điện áp ngập U BO

(Breakover) thì điện áp UAK giảm xuống giống như diod và dòng điện I A
tăng nhanh. Lúc này SCR chuyển sang trạng thái dẫn điện. Dòng điện ứng
với lúc điện áp UAK giảm nhanh gọi là dòng điện duy trì I H (Holding). Sau
đó, dặc tính của SCR giống như 1 diode nắn điện.
+ Trường hợp khóa K đóng hay UG > 0V .
Khi đóng khóa K cấp nguồn UDC cho cực cổng SCR, điện trở RG
dùng để giới hạn dòng kích cho cực G của SCR. Lúc này có dòng kích IG >
0 nên SCR dẫn tức transistor T1 được phân cực ở cực B, I B1 > 0 => có dòng
IC1 > 0, dòng IC1 cũng chính là dòng IB2 nên lúc này T2 cũng dẫn điện và cho

9


dòng IC2 ra, dòng này đi vào cực nền B 1 và lại trở thành dòng IB1 .Do đó mà
SCR sẽ tự duy trì trạng thái dẫn điện trong nguồn 1 chiều mà không cần có
dòng kích IG liên tục.
Hiện tượng này sẽ lặp lại liên tục, dấn đến 2 transistor đạt đến trạng
thái dẫn bảo hòa, khi đó điện áp UAK giảm rất nhỏ khỏang 0,7V ÷ 1,5V (tùy
lọai).
+ Trường hợp phân cực ngược SCR.
Phân cực ngược SCR là nối cực Anode vào nguồn âm và cực Catod
vào nguồn dương của điện áp cung cấp UCC. Trường hợp này giống như
Diode bị phân cực ngược, SCR sẽ không dẫn điện mà chỉ có dòng điện rỉ
rất nhỏ đi qua và điện áp rơi trên SCR chính bằng điện áp nguồn (U AK =
-UCC) .
Khi tăng điện áp nguồn UCC lên đủ lớn thì SCR sẽ bị đánh thủng và
dòng điện qua theo chiều từ Anod sang Catod (K→A) .Điện áp này gọi là
điện áp ngược UN. Thông thường trị số UN và UBO bằng nhau và ngược dấu.
- Đặc tuyến của SCR:

Qua hình vẽ đặc tuyến Volt - Amprer của SCR ta thấy khi chưa có
dòng kích IGO nếu điện áp đặc vào 2 đầu SCR đủ lớn (U BO) thì SCR sẽ tự
dẫn .
Khi điện áp UAK < UBO muốn SCR dẫn thì phải có dòng kích IG > 0.
Khi U2< U1 < UBO muốn SCR dẫn thì phải có dòng IG2 > IG1 > 0.

10


1.1.4. Triac
a. Cấu tạo, ký hiệu
Triac có cấu tạo gồm các lớp bán dẫn P - N ghép nối tiếp nhau và
được nối ra 3 chân, hai chân có dòng điện lớn qua gọi là T1 và T2, chân điều
khiển cho Triac dẫn gọi là cực cổng G.
Triac có thể xem như 2 SCR ghép song song và ngược chiều nhau sao
cho có chung cực cổng G.
Triac là viết tắt của Triode Ac semiconductor switch (hay còn gọi là
khóa điện xoay chiều có 3 cực).

Hình 1.5: Cấu tạo, ký hiệu của Triac

b. Nguyên lý họat động và đặc tính của Triac

Hình 1.6: Minh họa hoạt động của Triac

Cấu trúc của Triac được xem như 2 SCR ghép song song và ngược
chiều nên khi khảo sát đặc tính của Triac người ta khảo sát như mạch thực
nghiệm sau:
Hình a khi cực T2 có điện áp dương và cực G được kích xung dương
thì Triac sẽ dẫn điện theo chiều từ T2 sang T1.

11


Hình b khi cực T2 có điện áp âm và cực G được kích xung âm thì
Triac sẽ dẫn điện theo chiều từ T1 sang T2.
Hình c khi Triac được dùng trong nguồn điện xoay chiều, ở bán kỳ
dương cực G cần được kích xung dương ,còn ở bán kỳ âm cực G cần được
kích xung âm. Triac cho dòng điện qua được cả 2 chiều và khi đã dẫn điện
thì điện áp rơi trên 2 cực T1 - T2 rất nhỏ nên được coi như công tắc bán dẫn
dùng trong nguồn điện xoay chiều .
Đặc tính của Triac gồm 2 phần đối xứng nhau qua điểm 0, hai phần
này giống như đặc tuyến của hai SCR mắc ngược chiều nhau.
c. Các cách kích mở triac

Hình 1.7: Minh họa các cách kích mở của Triac

Thật ra do sự tương tác giữa các vùng bán dẫn mà Triac được kích
dẫn theo 4 cách khác nhau.Với hai cách kích đầu (a) và (b) gọi là kích thuận
ta chỉ cần dòng kích nhỏ đủ để Triac dẫn, còn với hai cách kích sau (c) và
(d) gọi là kích ngược vì ta phải cần dòng kích lớn mới đủ để làm Triac dẫn.
b. Các cách khóa triac
- Khi triac đang dẫn, muốn khóa triac ta giảm dòng dẫn xuống dưới
dòng duy trì. (dòng duy trì là dòng nhỏ nhất mà triac dẫn).
1.1.5. Diac
a. Câu tạo và ký hiệu

12


Về cấu tạo, Diac giống như một thyristor không có cực cổng hay

giống như một tranzitor không có cực Bazer. Diac cho dòng điện đi theo cả
hai chiều vì vậy về nguyên lý Diac tương đương với hai Diode Zerner mắc
ngược nhau như hình vẽ.
b. Nguyên lý hoạt động
- Khi đặt một điện áp theo một chiều nhất định U A1A2 > 0 khi đạt đến
một giá trị điện áp VB0 thì Diac bắt đầu dẫn điện.
- Khi đặt một điện áp ngược lại U A1A2<0, khi đạt đến một giá trị điện
áp -VB0 thì Diac cũng bắt đầu dẫn điện.
c. Đặc tính Vôn-Ampe như hình bên:
-

c. Ứng dụng của Diac
- Mạch điều chỉnh độ sáng của bóng đèn
+ Ở nửa chu kỳ dương thì điện thế tăng tụ điện nạp điện đến điện thế
VB0, thì Diac dẫn điện, hết nửa chu kỳ dương Diac tạm ngưng.
+ Đến nửa chu kỳ âm thì tụ điện được nạp đến điện thế thế -VBO,
Diac dẫn kích Triac dẫn điện.
- Thay đổi VR đế thay đổi thời gian nạp tụ điện dẫn đến thay đổi góc mở
Triac

13


1.2 Cấu trúc chung của sơ đồ chỉnh lưu
1.2.1.Các khái niệm cơ bản
* Chỉnh lưu là biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng
điện 1 chiều, cung cấp cho nhiều loại phụ tải khác nhau. Một số phụ tải một
chiều như sau:
- Các động cơ một chiều.
- Hệ thống cung cấp kích từ cho các máy phátđiện đồng bộ, máy phát

hoặc động cơ.
- Các quá trình công nghệ điện hóa yêu cầu nguồn điện một chiều dòng
điện rất lớn như mạ, điện phân, xử lý hóa học bề mặt....
- Các hệ thống nạp điện cho ắc quy.
Các bộ nguồn một chiều cho các thiết bị điều khiển, viễn thông.
Trong các hệ thống truyền tải điện một chiều công suất lớn.
* Các bộ chỉnh lưu thường dùng là các phần tử bán dẫn công suất
(điôt, tranzitor, Thyristor...). Tùy theo thiết bị chỉnh lưu mà người ta phân
thành:
- Chỉnh lưu không điều khiển (dùng điôt)
- Chỉnh lưu có điều khiển (dùng Thyristor)
* Để chỉnh lưu tín hiệu công suất nhỏ thường dùng bộ chỉnh lưu 1 pha
và chỉnh lưu tín hiệu công suất lớn thường dùng bộ chỉnh lưu 3 pha. Điện áp
và dòng điện sau chỉnh lưu có chiều không thay đổi nhưng vẫn dao động về
trị số, để hạn chế dao động thường người ta cho qua bộ lọc.
*Người ta có thể phân loại chỉnh lưu theo sơ đồ sau:

Cấu trúc chung của một sơ đồ chỉnh lưu(Nếu là CL KĐK thì Khối 2
là các Van CL không có ĐK, khối 4, 5 không có..)

14


Khối 1: MBA dùng để phối hợp mức điện áp giữa điện áp lưới và
điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu. MBA là bộ phận bắt buộc đối với các sơ đồ
hình tia nhưng không bắt buộc đối với sơ đồ hình cầu.
- Khối 2: Sơ đồ van chỉnh lưu. Gồm các van bán dẫn được nối theo sơ
đồ chỉnh lưu cụ thể, có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp
một chiều.
- Khối 3: Khâu lọc gồm các phần tử phản kháng như tụ điện, cuộn cảm

có chức năng san bằng điện áp chỉnh lưu, giảm thành phần đập mạch của
điện áp ra một chiều đến mức độ cho phép.
- Khối 4: Mạch đo lường gồm các khâu tạo tín hiệu về dòng điện, điện
áp phục vụ cho các chức năng về điều chỉnh, các chức năng theo dõi, hiển
thị và bảo vệ của cả hệ thống.
- Khối 5: Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong mạch chỉnh lưu có
điều khiển. Có nhiệm vụ tạo ra các xung điều khiển với góc pha điều khiển
điều chỉnh được, đồng pha với điện áp xoay chiều, đưa đến cực điều khiển
của các van bán dẫn có điều khiển (Thyristor).
1.2.2. Các tham số cơ bản.
Các tham số cơ bản dùng để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản
nhất của một mạch chỉnh lưu:
Ud: giá trị điện áp trung bình nhận được sau mạch van chỉnh lưu.
-

T

1
1
U d = ∫ u d (t )dt =
T 0
2π

2π

∫u

d

(θ )dθ

0

15


Id : Dòng điện trung bình nhận được sau mạch van chỉnh lưu
Id =

1
2π

2π

∫i

d

(θ )dθ

0

Pd= Ud. Id là công suất một chiều mà tải nhận được từ mạch chỉnh lưu.
Ivtb: dòng trung bình qua van
Ung max: điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc

1.3. Chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ

1.3.1 Chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ không điều khiển
Trong sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ điện áp thứ cấp máy biến

áp là:
a. Sơ đồ mạch

u2 = 2U 2 sin ωt = 2U 2 sin θ

D

A
U1

Ud
Um

t
0

U2
R

π

2π
t

Id

F
Ud
Hình 1.8. Chỉnh lưu diode hình tia

Hình 1.9. Đồ thị điện áp

Giả sử điện áp vào sơ cấp MBA có dạng sin:
u1 = U1m sinωt =
U1m sinθ
Thì điện áp thứ cấp MBA có dạng:
u2 = U2m sinωt = U2m sinθ
Trong đó: U1m, U2m là giá trị biên độ cực đại của điện áp xoay chiều sơ cấp
và thứ cấp MBA, (V).
U1m= 2 .U1

: U1 là giá trị hiệu dụng của sơ cấp MBA

U2m= 2 .U2
θ = ω.t
ω = 2Π.f

: U2 là giá trị hiệu dụng của thứ cấp MBA
: Góc pha [rad];
: tần số góc [rad/s];

16


f
: tần số điện áp lưới
b. Nguyên lý hoạt động của mạch điện
Giả sử trong nửa chu kỳ đầu của điện áp lưới, θ = 0 + π, cực tính
MBA có cực tính như hình vẽ. Điôt D được phân cực thuận nên dẫn, nối tải
Rt vào nguồn. Điện áp trên tải được lặp lại như u2. Dòng điện trên tải sẽ lặp

lại như dạng điện áp, với giá trị: id = iRt =

u

2

Rt

dạng điện áp và dòng tải được

biểu diễn như hình 1.9.
Đến nửa chu kỳ sau từ θ = π ÷ 2θ. điện áp xoay chiều đầu vào đảo cực
tính, dòng tải có xu hướng đảo chiều. Tuy nhiên lúc này điôt D bị phân cực
ngược nên không cho dòng điện chạy theo hướng ngược lại do điôt khóa,
ngắt tải ra khỏi nguồn. Điện áp và dòng trên tải bằng không.
Từ hình đồ thị hình vẽ trên ta có thể tính được giá trị điện áp trung
bình sau chỉnh lưu:
π

π

1
1
Um
Um
m
URt = ∫ U 2 dθ = ∫ U 2 sin θ .dθ = 2 ( − cosθ ) π0 = 2 =
2π 0
2π 0
2π

π

2.

U 2m
 0,45. U2
π

Tương tự dòng tải trung bình được tính bằng:
I dm
Id = IRt =
=
π

U dm
2
=
.U
π.Rt π .Rt 2

Điện áp ngược lớn nhất trên Điôt bằng giá trị biên độ của điện áp
xoay chiều u2 bằng:

Ung. Max = U 2m = 2 . U 2

1.3.2 Chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ có điều khiển
1.3.2 Chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ có điều khiển
a. Sơ đồ mạch:
ud
id

U

t
α

t1 π

xung

t

17


Hình 1.8. Chỉnh lưu diode hình tia

Hình 1.9. Đồ thị điện áp

b. Nguyên lý làm việc:
Trong sơ đồ này ở giai đoạn (0 ÷ π ) mặc dù điện áp trên tiristo T đã
dương, song phải đến thời điểm α thì tiristo mới nhận được tín hiệu điều
khiển IG từ khâu phát xung (FX). Do đó:
Trong giai đoạn (0 ÷ α ) tiristo khoá:

ud = 0.

Trong giai đoạn (α ÷ π ) tiristo dẫn:

ud = u2 (θ )

Trong giai đoạn (π ÷ 2π ) tiristo khoá: ud = 0
Điện áp ud chỉ là một phần của u2 với độ lớn tuỳ thuộc góc α. Ta có:
U dα =

2π

1
2π

∫ ud (θ )dθ =
0

U dα = U d 0

1
2π

π

∫
α

2U 2 sin θ dθ =

2
(1 + cosα )
U2
π
2

(1 + cosα )
= U d 0 f (α )
2

Biểu thức này cho thấy điện áp chỉnh lưu U d là một hàm phụ thuộc
vào góc điều khiển . Như vậy muốn điều chỉnh điện áp ra tải chỉ cần tác
động vào tham số α. Bằng cách thay đổi α từ 0 đến 1800 ta điều chỉnh được
điện áp Ud từ giá trị lớn nhất Ud0 đến giá trị nhỏ nhất (bằng 0).
1.4. Chỉnh lưu 1 pha hai nửa chu kỳ
1.4.1 Chỉnh lưu 1 pha hai nửa chu kỳ không điều khiển
a. Sơ đồ mạch
D1

A
U

U1

ud

d
2
1

C
M

U2

Ud R
D2

i1

0
N

i2

2

B
Hình 1.10. Chỉnh lưu diode 2 nửa chu kỳ

π

t
2π
t

id
uD

2 2U2
Hình 1.11. Giản đồ tín hiệu

Giả sử điện áp vào sơ cấp MBA có dạng sin: u1 = U1m . sint = U1m sin θ

18

Thì điện áp thứ cấp MBA có dạng:
u21 = U 21m . sint = U 21m sin θ = -u22
u22 = U 22m . sint = U 22m sin θ = -u21
Trong đó:
U1m , U 21m , U 22m là giá trị biên độ cực đại của điện áp xoay chiều sơ cấp

và thứ cấp MBA, (V).
U1m =

2 . U1 ; ui là giá trị hiệu dụng của sơ cấp MBA

U 22m = 2 U 21 ; U21 là giá trị hiệu dụng của nửa cuộn dây thứ nhất thứ

cấp MBA U 21m = 2 U 21

;

thứ cấp MBA
θ = ω.t

; Góc pha [rad];

ω = 2π.f

U22 là giá trị hiệu dụng của nửa cuộn dây thứ hai

; tần số góc [rad/s];

f
; tần số điện áp lưới
Chỉnh lưu một pha hình tia 2 nửa chu kỳ cấu tạo từ MBA và 2 điôt
D1, D2 như hình trên. Thứ cấp MBA gồm 2 nửa cuộn dây, có cực tính cuốn
như biểu diễn, do đó điện áp thứ cấp MBA u 21, u22 có giá trị như nhau nhưng
ngược cực tính tức là ngược pha nhau 1800.
b. Nguyên lý hoạt động:
- Trong khoảng 0 ÷ π, và trong khoảng π ÷ 2π:
Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy rằng, trong nửa chu kỳ đầy của điện áp
nguồn, khi uac>0, ubc<0, điôt Di thông ud = udc= uac= u21.
Đến nửa chu kỳ sau, điện áp nguồn đảo cực tính, u ac<0, ubc>0, điốt
D2 thông ud = udc= uAC = u22. Điện áp trên tải có dạng đập mạch với cực tính
điểm d dương hơn so với điểm c.
Dạng dòng điện, điện áp của các phần tử trên sơ đồ ứng với hai loại
tải thuần trở và trở cảm được biểu diễn ở giản đồ tín hiệu.
Như vậy điện áp trung bình chỉnh lưu:
Ud =

π

1
2 2U 2
2U 2 sin θ dθ =
∫
π 0
π

Dòng tải trung bình:
Id =

U d 2 2U 2
=
R
πR

19


Dòng trung bình qua một diode
ID =

1
2π

π

∫
0

2U 2 sin θdθ I d
=
R
2

Dòng hiệu dụng của thứ cấp máy biến áp
I 21 = I 22 =

1
2π

2

 2U 2

U

 dθ = 2
sin
θ
∫0  R

2R



π

Điện áp ngược lớn nhất trên diode:
U ng max = 2 2U 2
* Nhận

xét:
- Để đảm bảo công suất tải là Pd thì công suất lắp đặt của MBA lớn
gấp 1.48 lần.
- Dòng điện qua 1 pha bằng / dòng tải, điện áp ngược gấp 2 lần biên
độ nên sơ đồ hình tia dùng trong trường hợp tải có dòng lớn và điện áp thấp
1.4.2 Chỉnh lưu 1 pha hai nửa chu kỳ có điều khiển
a. Sơ đồ mạch

Trong đó:

- Trong sơ đồ này BA còn có chức năng là tạo ra hệ thống điện áp xoay
chiều hai pha không có trong lưới điện công nghiệp. BA có một cuộn sơ cấp
được đặt điện áp nguồn xoay chiều một pha u 1, hai cuộn thứ cấp là w 21, w22
có số vòng bằng nhau và đấu như hình vẽ. Như vậy trên w 21, w22 ta có các
điện áp là u21, u22 thoả mãn quan hệ: u21 = u22, đây là hệ thống điện áp xoay
chiều hai pha cần thiết.
- Các thyristor T1, T2 làm nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều thành một
chiều.

20


Rd các phần tử phụ tải.
b. Nguyên lý làm việc và giản đồ tín hiệu
- Nguyên lý làm việc:
Trường hợp phụ tải Rd:
Với trường hợp này phụ thuộc vào giá trị E d, α mà xảy ra một số
-

trường hợp khác nhau.
Ở đây ta xét một trường cụ thể với giá trị α:
- Tại ωt = ν1 = α ta truyền xung điều khiển đến mở T 1, giả thiết rằng
trước đó (ωt = 0 đến ωt <ν1) thì trong sơ đồ chưa có van nào làm việc nên i d
= 0 và ud = 0. Vậy tại ν1 thì uT1= u21>0, có đủ 2 điều kiện để T 1 mở T1 sẽ mở,
sụt điện áp trên T1 giảm về bằng không nên ta có điện áp chỉnh lưu tức thời
ud=u21. Lúc này trong sơ đồ xuất hiện dòng điện đi từ đầu pha thứ nhất
(điểm 1) qua T1, qua phụ tải và quay về pha thứ nhất thứ cấp máy biến áp
BA. Van T2 lúc này bị đặt điện áp ngược và khoá lại, ta có:
iT1= id = ud/Rd = u21/Rd ;
iT2 = 0 ;

uT1= 0 ;
uT2 = 2u22 ;
- Đến thời điểm ωt = π thì u21 = 0 lúc đó dòng qua T1 và phụ tải bằng
không và có xu hướng muốn đổi chiều, nhưng do tính dẫn dòng một chiều
của các van mà T1 sẽ khoá lại còn T2 thì chưa có điều kiện mở nên dòng tải
sẽ bằng không trong giai đoạn tiếp. Trong giai đoạn này cả 2 van T 1 và T2
đều khoá:
ud = 0;
iT1=0;
iT2 = 0;
uT1= 0 ;
uT2 = 0 ;
- Tại ωt = ν2 = π + α, van T2 có tín hiệu điều khiển và uT2 = u22 > 0, đủ
hai điều kiện cho T2 mở. VanT2 mở thì sụt áp trên nó giảm về không nên u d
= u22, van T1 thì bị đặt điện áp ngược và đang khoá. Trong giai đoạn này ta
có
iT1 = 0;
iT2= id = ud/Rd= u22/Rd;
uT1 = 2u21; uT2= 0;
Tại ωt = 2π thì u22 = 0 lúc đó dòng qua T2 và phụ tải bằng không và
có xu hướng muốn đổi chiều, nhưng do tính dẫn dòng một chiều của các van
mà T2 sẽ khoá lại còn T1 thì chưa có điều kiện mở nên dòng tải sẽ bằng trong

21


giai đoạn tiếp. Trong giai đoạn này cả 2 van T 1 và T2 cũng đều khoá (tương
tự như giai đoạn ωt =π ÷ ωt = ν2):
ud = E d;
iT1=0;

iT2 = 0;
uT1= u21;
uT2 = u22 ;
- Tại ωt = ν3 thì T1 lại có tín hiệu điều khiển và u T1 > 0 nên T1 lại mở,
sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc như từ ωt = ν1. Giai đoạn từ ωt = 0 ÷ ωt =
ν1 cũng giống như giai đoạn ωt =2π ÷ ωt = ν3 (do tính chất lặp đi lặp lại
trong sơ đồ chỉnh lưu).
Đồ thị điện áp chỉnh lưu, dòng các van, dòng điện chỉnh lưu, điện áp
trên T1 biểu diễn trên hình vẽ:
Điện áp chỉnh lưu trung bình của trường hợp này là:
π −θ
π +α
U = (2 / 2π )[ ∫ U m sin(ω t )d (ωt ) + ∫ E .d (ωt )]
d
α
π −θ d

→

{

1
U d =  ÷. U m cosα − cos ( π − θ )  + ( α + θ ) .Ed
π 

}

Dòng trung bình qua một thyristor:
ITtb= (1/2π).{Um[cosα-cos (π-θ)]-(π-α-θ)}/Rd.
Ở đây giá trị góc θ được xác định như sau: θ = arcsin (1/Um)

- Giản đồ tín hiệu:

22


1.5. Chỉnh lưu 1 pha hình cầu
1.5.1. Chỉnh lưu 1 pha hình cầu không điều khiển
a. Sơ đồ mạch:
ID1
i1 BA
u1

a i2

ID3
D1

D3

u2

ud

b ID4

ID2
D4

Z

id
D2

23


b. Nguyên lý làm việc
Khi 0 < θ < π, u 2 = 2U 2 sin θ > 0 , Diode D1, D2 phân cực thuận, D3,D4
phân cực ngược. Dòng điện chảy từ điểm A qua D1, qua tải, D2 về điểm B.
Ta có phương trình:
u d = 2U 2 sin θ

Khi π < θ < 2π, u 2 = 2U 2 sin θ < 0 Diode D1, D2 phân cực ngược,
D3,D4 phân cực thuận. Dòng điện chảy từ điểm B qua D 3, qua tải, D4 về điểm
A.
Ta có phương trình
u d = − 2U 2 sin θ

Như vậy điện áp chỉnh lưu trung bình
1
Ud =
2π

2π

1
∫0 ud dθ = π

π

∫

2U 2 sin θdθ =

0

2 2U 2
π

Dòng tải trung bình
Id =

U d 2 2U 2
=
R
πR

Dòng trung bình qua một diode
1
ID =
2π

π

∫
0

2U 2 sin θdθ I d
=
R

2

UngVmax= 2 U2.
Chỉnh lưu cầu một pha được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Ưu điểm
của mạch là có thể không cần biến áp. Nhược điểm của nó là luôn có hai
diode tham gia dẫn dòng. Như vậy, sẽ có sụt áp do hai diode gây ra, chính lý
do này làm cho mạch cầu không thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp, dòng
tải lớn.

c. Đồ thị dòng điện, điện áp
24


u
ud
0

id

θ
π

2π

u2

iD1,iD3

θ
0

iD2,iD4
θ
0
i1
θ
0
uD1
0

θ
ung.max

u2

* Nhận xét:
- Sơ đồ cầu dùng MBA tốt hơn sơ đồ hình tia vì công suất lắp đặt
MBA chỉ hơn công suất chỉnh lưu 1.23 lần
- Sơ đồ cầu phù hợp với tải có dòng nhỏ, điện áp cao vì điện áp ngược
mỗi điôt phải chịu chỉ bằng biên độ của áp nguồn.
- Tuy nhiên tổn thất công suất và điện áp trong sơ đồ cầu lớn hơn sơ
đồ hình tia.
1.5.2. Chỉnh lưu 1 pha hình cầu có điều khiển

25