CHUONG2 đề CƯƠNG điện tử CÔNG SUÂT 4 2018

Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

Chương II
MẠCH CHỈNH LƯU KHƠNG VÀ CĨ ĐIỀU KHIỂN
2.1. Giới thiệu chung về mạch chỉnh lưu
2.1.1. Khái niệm: Mạch chỉnh lưu là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện xoay
chiều thành nguồn điện một chiều nhằm cung cấp cho phụ tải điện một chiều.
2.1.2. Phân loại và đặc điểm mạch chỉnh lưu:
- Tùy theo số pha của nguồn điện xoay chiều phía đầu vào mạch chỉnh lưu mà có
thể chia ra thành mạch chỉnh lưu 1 pha, 3 pha hay m pha:
- Nếu dòng điện xoay chiều chạy giữa dây pha và dây trung tính, thì mạch chỉnh lưu
gọi là sơ đồ hình tia. Cịn nếu dịng điện xoay chiều chạy giữa các dây pha thì mạch
chỉnh lưu gọi là sơ đồ hình cầu.
* Đặc điểm chung của mạch chỉnh lưu hình tia m pha là:
-

Số van chỉnh lưu bằng số pha của nguồn xoay chiều.

-

Các van có số điện cực cùng tên nối chung, điện cực còn lại nối với nguồn xoay
chiều. Nếu điện cực nối chung là Katốt thì sơ đồ được gọi là Katốt chung, còn
nếu điện cực nối chung là Anốt ta có sơ đồ nối Anốt chung.

-

Hệ thống điện áp nguồn xoay chiều m pha phải có điểm trung tính, trung tính
nguồn là điện cực cịn lại của điện áp chỉnh lưu.
* Đặc điểm chung của mạch chỉnh lưu cầu m pha:

-

Số van chỉnh lưu bằng 2 lần số pha của nguồn xoay chiều, trong đó có m van có
Katốt nối chung được gọi là nhóm van Katốt chung và trên sơ đồ ta kí hiệu bởi
chỉ số lẻ, m van cịn lại có anốt nối chung nên gọi là nhóm van anốt chung và
trên sơ đồ ta kí hiệu bằng chỉ số chẵn.

-

Mỗi pha nguồn xoay chiều nối với hai van, một ở nhóm A chung và một ở nhóm
K chung.

-

Điểm nối chung của các van nối K chung và nối A chung là 2 điện cực của điện
áp ra.

- Nếu sơ đồ chỉnh lưu dùng tồn diode thì gọi là sơ đồ khơng điều khiển. Nếu sơ đồ
chỉnh lưu dùng tồn thyristor thì gọi là sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển hay điều khiển
hồn tồn. Cịn sơ đồ chỉnh lưu dùng cả thyristor và diode thì gọi là sơ đồ bán điều
khiển.
Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

60


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

- Kết hợp các phương pháp và đặc điểm phân loại như trên một sơ đồ chỉnh
lưuchúng ta tàm thời phân loại theo sơ đồ cấu trúc phía sau:

Hình 2.1: Một số sơ đồ chỉnh lưu thường gặp

D

T

id

R

u2

ud

D0

u2

u1

R

L

Hình 2.2: Mạch chỉnh lưu hình tia một pha

Hình 2.3: Mạch chỉnh lưu hình tia một

nửa chu kỳ khơng điều khiển

pha nửa chu kỳ có điều khiển

I21
BA A
u1

u21
u22

D1
T1

ud

Id

Z

u21

C

R

id

u1
u22

I22 D2

B

L

i21

T2

i22

Hình 2.5: Mạch chỉnh lưu hình tia một

Hình 2.4: Mạch chỉnh lưu hình tia một pha 2

pha 2 nửa chu kỳ có điều khiển

nửa chu kỳ khơng điều khiển

Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

61


Trường Đại học SPKT Hưng n

uA

iA

uB

iB

uc

u

iC

Điện tử cơng suất

ua
ub

D1

uc

D2

uB

iB

uc

iC

D3
L

ua

iA

u
A

ub

uc

id

R

T1

i1

T2

i2

T3

i3

L

R

id

ud
ud

Hình 2.6: Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha

Hình 2.7: Mạch chỉnh lưu hình tia ba

khơng điều khiển

pha có điều khiển
id

id
i1

D1

i2
u2

u1

i1

D3
ud

Rd

D4

u1

i2

T1

T2

u2

ud

T3

D2

Rd

Ld

T4

Hình 2.8:Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha

Hình 2.9: Mạch chỉnh lưu hình cầu một

khơng điều khiển

pha điều khiển hồn tồn

ua
ub
uc

id
ia

D1

ib

L

+
- ud

D4

D6

T3

T5

id

uL2'

L2

Rd Ud

uL3'

L3

R

G5

G3
T1

uL1'
L1

E

ic

G1

Q

D5

D3

G4

N

G6
T4

G2
T6

T2

D2

Hình 2.10: Mạch chỉnh lưu hình cầu ba pha

Hình 2.11: Mạch chỉnh lưu hình cầu ba

khơng điều khiển

pha điều khiển hồn tồn
id

i1
u1

i2

T1

T2

G1

Q

Rd

ua

ud

u2

L1
L2

Ld
D1

D2

G5

G3
T1

T2

id
T3
Rd

ub

Ud

uc

L

L3
N

D1

D2

D3

E

Hình 2.12: Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha

Hình 2.13: Mạch chỉnh lưu hình cầu ba

bán điều khiển

pha bán điều khiển

Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

62


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

2.1.3. Cấu trúc mạch chỉnh lưu:
Trong thực tế các mạch chỉnh lưu có nhiều loại và khá đa dạng về hình dáng
cũng như tính năng. Tuy nhiên về cơ bản cấu trúc trong bộ biến đổi thường có các
bộ phận sau:
+ Biến áp nguồn nhằm biến đổi điện áp từ cao xuống thấp hoặc ngược lại.
+ Van công suất chỉnh lưu, các van này có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện xoay
chiều thành nguồn một chiều.
+ Mạch lọc nhằm lọc và san phẳng dòng điện hay điện áp nguồn để mạch chỉnh lưu
có chất lượng tốt hơn.
+ Mạch đo lường trong bộ chỉnh lưu thường dùng để đo dòng điện, điện áp, công
suất.
+ Mạch điều khiển là bộ phận rất quan trọng trong các bộ chỉnh lưu có điều khiển,
nó quyết định độ chính xác, ổn định và chất lượng bộ chỉnh lưu.

+ Phụ tải của mạch chỉnh lưu thường là phần ứng động cơ điện một chiều, kích từ
máy điện một chiều, xoay chiều, cuộn hút nam châm điện, các tải có sức điện động
E, đơi khi tải là các đèn chiếu sáng hay các điện trở tạo nhiệt...vv. Dưới đây minh
họa sơ đồ cấu trúc của một bộ chỉnh lưu:

M¸y biến áp
(1)

Chỉnh l-u
(2)

Lọc
(3)

UAC

Tải
một
chiều

Ud,
Id

Mạch
điều
khiển

Mạch
đo
l-ờng

Hỡnh 2.14: Cu trỳc chung mch chnh lu

Chng 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

63


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

2.1.4. Luật đóng mở các van cơng suất trong mạch chỉnh lưu
 Trường hợp mạch chỉnh lưu hình tia
1. Sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển
Để đơn giản cho việc nghiên cứu ngun lí làm việc của sơ đồ chỉnh lưu hình
tia, trước tiên ta xét với sơ đồ không điều khiển và nghiên cứu loại sơ đồ đấu các
van nối K chung.
Qua nghiên cứu người ta thấy rằng: ở chế độ dịng qua tải là liên tục và bỏ
qua q trình chuyển mạch thì ở một thời điểm bất kỳ khi bộ chỉnh lưu đang làm
việc trong sơ đồ ln có một van dẫn dịng, đó là van nối với điện áp pha dương
nhất. Mặt khác với hệ thống điện áp xoay chiều m pha thì trong thời gian một chu
kỳ điện áp nguồn mỗi pha sẽ lần lượt dương nhất trong khoảng thời gian 1/m chu
kỳ, do vậy mà mỗi van trong sơ đồ sẽ dẫn dòng một khoảng bằng 1/m chu kỳ trong
thời gian một chu kỳ điện áp nguồn.
Ta giả thiết rằng sụt áp trên Diode hoặc Thyristor khi mở (dẫn dịng) bằng
khơng. Như vậy thời điểm mà điện áp trên van bằng khơng và có xu hướng chuyển
sang dương là thời điểm van (Diode) bắt đầu mở, thời điểm mà Diode trong sơ đồ
chỉnh lưu bắt đầu mở được gọi là thời điểm mở tự nhiên đối với van công suất trong
sơ đồ chỉnh lưu.

Thời điểm mở tự nhiên đối với van công suất trong sơ đồ chỉnh lưu ba pha
các van nối K chung chậm sau thời điểm điện áp của pha nối van bằng không và bắt
đầu chuyển sang dương một góc độ điện bằng 0, với  0 được xác định như sau:
0 = /2 – /m
Mỗi Diode trong sơ đồ bắt đầu mở tại thời điểm mở tự nhiên và sẽ khoá lại tại thời
điểm mở tự nhiên của van tiếp theo. Điện áp chỉnh lưu sẽ lặp lại m lần giống nhau
trong một chu kỳ nguồn xoay chiều. Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các
van nối anốt chung, khi sơ đồ làm việc ở chế độ dòng liên tục và bỏ qua chuyển
mạch thì tại một thời điểm bất kỳ trong sơ đồ có một van mắc với pha có điện áp âm
nhất dẫn dịng. Thời điểm mở tự nhiên đối với các van trong sơ đồ này chậm sau
thời điểm điện áp của pha mắc với van bằng khơng và chuyển sang âm một góc độ
điện cũng bằng 0.

Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

64


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

2. Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển
Trong trường hợp này các van chỉnh lưu là các Thyristor. Như đã biết để chuyển
Thyristor từ trạng thái khoá sang trạng thái mở cần phải có đủ hai điều kiện:
+ Điện áp giữa A và K phải dương (thuận)
+ Có tín hiệu điều khiển đặt vào cực G
Do đặc điểm vừa nêu trên mà trong sơ đồ này ta có thể điều khiển được thơì
điểm mở của các van trong một giới hạn nhất định. Cụ thể là trong khoảng thời gian
có điều kiện mở thứ nhất là có điện áp thuận (từ thời điểm mở tự nhiên đối với van

cho đến sau thời điểm này một nửa chu kỳ), ta cần mở van ở thời điểm nào thì ta
truyền tín hiệu điều khiển đến van ở thời điểm đó và điều nay được thực hiện với tất
cả các van trong sơ đồ. Như vậy nếu ta truyền tín hiệu điều khiển đến van chậm sau
thời điểm mở tự nhiên một góc độ điện là  thì tất cả các van trong sơ đồ sẽ mở
chậm so với thời điểm mở tự nhiên một góc độ điện là  và đường cong điện áp
chỉnh lưu trên phụ tải một chiều sẽ khác so với sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển,
do vậy giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu sẽ thay đổi. Vậy ta có thể thay đổi
thành phần một chiều của điện áp trên tải nhờ thay đổi thời điểm mở van, tức là
thay đổi giá trị góc , Trong sơ đồ chỉnh lưu thì giá trị góc mở chậm của van 
được gọi là góc điều khiển của sơ đồ chỉnh lưu. Từ các điều kiện mở của van nêu
trên ta thấy rằng muốn van mở được khi có tín hiệu điều khiển thì thời điểm truyền
tín hiệu đến van phải nằm trong khoảng điện áp trên van là thuận ứng với mỗi nửa
chu kỳ điện áp nguồn. Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển làm việc với = 00
tương đương với trường hợp sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển.
Sự làm việc của sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha các van nối anốt chung cũng
hịan toàn tương tự, chỉ khác là thời điểm mở tự nhiên của các van trong sơ đồ này
xác định khác với sơ đồ các van nối K chung.
 Trường hợp sơ đồ hình cầu
1. Sơ đồ khơng điều khiển
Từ kết cấu của sơ đồ chỉnh lưu hình cầu ta có nhận xét:
Để có dịng qua phụ tải thì trong sơ đồ phải có ít nhất hai van cùng dẫn dịng,
một van ở nhóm K chung và van cịn lại ở nhóm A chung. Vậy với giả thiết là sơ đồ
làm ở chế độ dòng liên tục và bỏ qua quá trình chuyển mạch thì khi bộ chỉnh lưu
Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

65


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

cầu m pha làm việc, ở một thời điểm bất kỳ trong sơ đồ ln có hai van dẫn dịng là
một van ở nhóm K chung nối với pha đang có điện áp dương nhất và một pha ở
nhóm A chung nối với pha đang có điện áp âm nhất. Thời điểm mở tự nhiên đối với
các van nối K chung xác định như các van trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia cùng số
pha với các van nối anốt chung. Còn thời điểm mở tự nhiên đối với các van nhóm
A chung thì xác định như đối với các van trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia cùng số pha
các van nối anốt chung. Với đặc điểm làm việc của sơ đồ chỉnh lưu cầu người ta
nhận thấy rằng: Trong một chu kỳ nguồn xoay chiều, mỗi van cũng dẫn dòng một
khoảng thời gian bằng 1/m chu kỳ như ở sơ đồ hình tia, sự chuyển mạch dịng từ
van này sang van khác chỉ diễn ra với các van trong cùng một nhóm và độc lập với
nhóm van kia; trong một chu kỳ nguồn xoay chiều điện áp chỉnh lưu lặp lại q lần
giống nhau, với q = m khi m lẻ và q = 2m khi m chẵn.
2. Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển
Với sơ đồ chỉnh lưu cầu, để điều khiển điện áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều
người ta cũng thực hiện việc điều khiển cho các van trong sơ đồ mở chậm hơn thời
điểm mở tự nhiên một góc độ điện bằng  nhờ sử dụng tín hiệu điều khiển giống
như ở sơ đồ hình tia giới hạn thay đổi lớn nhất của góc điều khiển  cũng phụ thuộc
vào mạch chỉnh lưu và đặc tính tải.
2.1.5. Các thơng số cơ bản của mạch chỉnh lưu:
- Các đặc tính của một sơ đồ chỉnh lưu được thơng qua một nhóm các thống số cơ
bản. Các thơng số cơ bản này cần thiết cho q trình thiết kế một mạch chỉnh lưu,
cũng như được dùng để đánh giá chất lượng của một mạch chỉnh lưu và sự ảnh
hưởng của nó tới lưới điện. Thơng thường một sơ đồ chỉnh lưu được xem xét với
các thông số cơ bản sau:
1. Thông số tải:
+ Giá trị điện áp trung bình nhận được ngay sau mạch chỉnh lưu (Ud)
T

Ud 

1
1
ud (t )dt 

T0
2

2

u

d

( )d

0

+ Dịng điện trung bình từ mạch chỉnh lưu cấp cho tải (Id)
Id 

1
2

2

 i ( )d
d

0

Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

66


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

+ Công suất một chiều tải tiêu thụ (Pd).
Pd  U d  I d

2. Thông số van bán dẫn
+ Giá trị trung bình dịng điện chảy qua van: IVtb hoặc IVAV
+ Giá trị hiệu dụng dòng điện chảy qua van: IVhd hoặc IVRMS
+ Điện áp ngược cực đại mà van phải chịu khi làm việc: UVngmax
+ Điện áp thuận cực đại mà van phải chịu khi làm việc: UVthmax
3.Thông số nguồn
+ Giá trị hiệu dụng dòng điện chảy qua cuộn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp: I1và I2
+ Công suất biểu kiến sơ cấp và thứ cấp máy biến áp S1 = U1.I1; S2 = U2.I2
4. Nhóm thơng số đánh giá chất lượng mạch điện
+ Số lần đập mạch (mX) : là nhóm các thơng số đánh giá chất lượng điện áp chỉnh
lưu, nếu số lần đập mạch càng lớn thì chất lượng mạch chỉnh lưu càng tốt.
+ Độ gợn sóng W% là tỷ số giữa điện áp trung bình một chiều và điện áp xoay
chiều bậc một sau chỉnh lưu.
+ Các thông số xác định sự ảnh hưởng của mạch chỉnh lưu tới lưới điện: Sự ảnh
hưởng đó được đánh giá qua hệ số cos, trong đó  là góc giữa thành phần sóng hài
bậc nhất của dịng điện và điện áp ở đầu vào chỉnh lưu. Một thông số quan trọng

khác nữa cũng ảnh hưởng đến lưới điện như là độ méo phi tuyến của dòng đầu vào
mạch chỉnh lưu. Khi đánh giá được độ méo phi tuyến cho phép xác định được dùng
các bộ lọc đầu vào mạch chỉnh lưu, hay phải dùng sơ đồ chỉnh lưu nhiều pha để
giảm thiểu ảnh hưởng của chỉnh lưu đến lưới điện.
2.2. Các mạch chỉnh lưu không điều khiển
2.2.1. Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển
* Xét trường hợp tải thuần trở
a> Sơ đồ nguên lý
Sơ đồ mạch chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ gồm hai loại: trực tiếp và cách ly
được mơ tả như hình 2.15-a và 2.15-b

Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

67


Trường Đại học SPKT Hưng n

Điện tử cơng suất

D

D

id

u2

ud

u1

R

u2

a

id

ud

R

b

Hình 2.15: Sơ đồ chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ
b> Ngun lý làm việc và dạng sóng dịng diện, điện áp trong mạch

- Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng và điện áp cấp vào
mạch chỉnh lưu: u 2  2.U2.sint(v) .
- Trong 1 2 chu kỳ đầu 0  t   , khi đó u2  0, van D được phân cực
thuận nên van D dẫn điện.Ta có: uD = 0, u 2  u d , i D  i d 

u2
R

-Trong 1 2 chu kỳ sau   t  2 khi đó u2  0, van D bị phân cực
ngược nên van D khơng dẫn điện. Ta có: uD = u2  0, ud = 0, i D  i d  0
- Các chu kỳ tiếp theo nguyên lý hoạt động tương tự. Từ nguyên lý làm

việc xây dựng được dạng sóng dịng điện và điện áp trong mạch như hình vẽ.
u2
2

3

t

2

3

t

0

2

3

t

0

2

3

t

0

ud
0

id
uD

Hình 2.16: Dạng sóng dịng điện, điện áp mạch chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ
với tải thuần trở
Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

68


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

c> Các biểu thức trong mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không
điều khiển với tải thuần trở
- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu :
Ud 

1
2





2U 2 sin tdt 

0

 2.U 2
2.U 2
(cos   cos 0) 
 0,45U 2
2


- Giá trị trung bình của dịng điện chỉnh lưu :


Id 

ud
U
1
2.U 2

2U 2 sin tdt  d 

R 2 .R 0
R
 .R

- Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA:
1

I2 
2

2

 2U sin t 
U
0  2R  dt  R2





U2
R




1 
cos 2t
d

t

d 2t 


2
2  0

0




U2
R

1
2



U2
R

1
   U 2   I d
2
2R 2



1 1  cos 2t
dt
 0
2

sin 2  sin 0 


(  0) 

2

- Dịng điện trung bình qua diode D:


I DAV

U
1
2.U 2

2U 2 sin tdt  d 
 Id

2 .R 0
R
 .R

- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên 2 đầu diode D khi khóa:
U Dm  2U 2

-

Tính cơng suất máy biến áp
S2 = U2.I2
S1 = U1.I1

- Hệ số công suất mạch chỉnh lưu:

Cos 

U d .I d
S2

Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

69


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

* Nhận xét:
- Dạng sóng dịng điện, điện áp tải nhấp nhơ nên chất lượng điện áp sau chỉnh lưu
khơng cao, ít được sử dụng trong thực tiễn.
- Máy biến áp sử dụng khơng tốt do hiệu suất thấp và sạng sóng điện áp qua máy
biến áp khơng sin.
- Muốn dịng tải giảm nhấp nhô phải mắc thêm tụ lọc hoặc cuộn lọc.
- Mạch đơn giản.
* Xét trường hợp tải R + E
a> Sơ đồ nguên lý
u2

uD
D

A

E

Id
+
-

u2

0

E

q

q

1

2

2

3

t

ud

~

R

ud
0

B

U2

t

id

t
0  1 0,

0

t

0

t

uD

E



2



2U 2  E

Hình 2.17: Chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ khơng điều khiển tải R+E
b> Nguyên lý làm việc và dạng sóng dịng diện, điện áp trong mạch
- Diode D chỉ cho dòng điện qua tải khi u2 > E, dòng id chỉ tồn tại trong khoảng
1  2 và góc 1 là 2 nghiệm của phương trình sau:
u2  2U 2 sin 1  E

Khi diode D dẫn dịng thì biểu thức của dòng điện qua tải:
id 

2U 2 sin   E
R

Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

70


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

Xét điều kiện lý tưởng khi diode cho dịng chảy qua thì điện áp đặt lên 2 đầu diode
là UD = 0 V. Cịn khi diode D bị khóa ta có phương trình:
u2  E  U D (Lúc này coi R.id =0 vì dịng điện qua tải rất nhỏ.) Do đó điện áp đặt

lên diode D là: U D  u2  E  2U 2 sin   E
Về nguyên lý làm việc của mạch có thể mơ tả chi tiết như sau:
Giả sử mạch làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng với 0  E  2.U 2 và điện áp cấp
vào mạch chỉnh lưu là điện áp hình sin u2  2U 2 sin 
Trước thời điểm 1 khi đó u2 < E nên diode D bị phân cực ngược khơng dẫn, do đó
khơng có dịng điện qua tải và qua van diode iD = id = 0, điện áp trên tải ud = E, điện
áp rơi trên van U D  u2  E  2U 2 sin   E . Trong khoảng 1<  < 2 khi đó u2 > E
nên diode dẫn cho dòng điện chạy qua tải id  i D 

2U 2 sin   E
, điện áp trên tải
R

ud = u2, điện áp rơi trên van uD = 0. Đến khi 2<  < 2 lúc này u2 < E nên diode D
bị phân cực ngược không dẫn, do đó khơng có dịng điện qua tải và qua van diode
iD = id = 0, điện áp trên tải ud = E, điện áp rơi trên van U D  u2  E  2U 2 sin   E .
c> Cơng thức tính các thơng số trong mạch chỉnh lưu
- Điện áp ngược cực đại đặt lên diode D khi khóa:
U Dm  2.U 2  E

- Dịng điện trung bình chảy qua tải:
Id 

1
2

2





1

2.U 2 .sin   E
2.U 2
2.U 2  cos 1 

d 
.(2 cos 1   .sin 1) 
.
 .sin 1
R
2R
R  
T


   2   1
+Trong đó:
2

T

- Giá trị dịng điện hiệu dụng qua thứ cấp máy biến áp và qua tải khi chuyển gốc tọa
độ 1 góc /2 đến O, có dạng:
id 

2U 2  E
. cos 

R

Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

71


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất





2

 2.U  E

2.U  E 1
   R2 . cos   d  R2 . 2

2

1
I2 
2

2



2

-

2.U 2  E   sin 21
 1  cos 2 
.
d 
2
R
4



 
2

Điện áp trung bình trên tải:
U d  I d .Rd  E

* Xét với tải R+L:
- Với tải R+L thường được dùng một trong hai sơ đồ sau:
D

D

id

u2

ud

u2

R

ud

B

a
Sơ đồ khơng có diode khơng

u; i

id

A

ud

C

b
Sơ đồ có diode khơng

ud

u; i

id

id

2
q2

q1

0

D0

R

2

t

q2

q1

0

t

l

Dạng sóng dịng điện điện áp trên tải

Dạng sóng dịng điện điện áp trên tải

khi khơng có diode khơng

khi có diode khơng

c>

d>

Hình 2.18: Sơ đồ ngun lý và dạng sóng mạch ckỉnh lưu hình tia một pha
nửa chu kỳ khơng điều khiển

Khi diode dẫn dịng trong mạch thì cuộn cảm sinh ra sđđ tự cảm e   L

did
. mỗi
dt

khi có sự biến thiên của dịng điện. Theo định luật ơm có thể viết được phương
trình mạch điện:
Hoặc L

u 2  e  R.id

did
 R.id  2.U 2 sin 

dt
Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

72


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

Khi D dẫn dịng có dịng điện chạy qua tải id gồm 2 thành phần là dòng điện cơ bản
icb và dòng điện tắt dần theo hàm mũ:

+ Dòng điện icb được xác định:
icb 

2U 2
sin(   )
Z

+ Dòng điện itd là hàm mũ tắt dần theo thời gian:
itd  A.e Pt  A.e



R.t
.L

 A.e




tg

Trong đó: .Ld = X = Z.sin; R = Z. cos; Z  R 2  X 2 ;   arctg
P

Xd
; t = 
Rd

Rd
;
Ld

Như vậy dòng điện tải:


id =


2U 2
sin(   ) + A.e tg
Z

Hệ số A được xác định từ sơ kiện đóng mạch có điện cảm id( = 0) = 0. Thay vào
biểu thức id ở trên ta xác định được
A

2U 2
sin( )
Z

Cuối cùng ta nhận được:
id 

2U 2
Z

R
 

X
sin(



)

sin

.
e





Khi  = , dịng id = 0; Lúc đó diode D khóa lại và ta có quan hệ:

Sin (   )   sin .e




tg

- Khi biết góc , có thể xác định được góc tắt dịng  bằng phép tính gần đúng của
phương trình siêu việt trên.
Trên hình 2.6.1-4c ta thấy trong khoảng 0 <  < 1 dòng điện id tăng từ từ do cuộn
cảm L sinh ra Sđđ e có chiều ngược lại với u2, lúc này cuộn cảm L tích lũy năng
lương.
Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

73


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

Trong khoảng 1 <  < 2 lúc này dòng id suy giảm dần và Sđđ e tác động cùng
chiều với u2; do vây cuộn cảm L hoàn lại năng lượng về nguồn. Vì vậy mà diode D
vẫn tiếp tục dẫn trong khoảng π <  < 2 khi mà điện áp u2 < 0 cho đến khi năng
lượng trong cuộn cảm được giải phóng hồn tồn. Trong thực tế, đối với tải L hoặc
R + L người ta thường dùng một diode hoàn năng lượng D0 đấu song song ngược
với tải, mục đích vừa để bảo vệ diode và duy trì dịng điện tải trong nửa chu kỳ âm
hình 2.6.1-4d.
Khi điện thế tại điểm B vượt tại điểm C khoảng 0,7V thì D0 mở cho dịng tải
id chảy qua D0; id = iD0 . Diode D0 ngắn mạch hai đầu tải; ud = 0.

Diode D chỉ cho dòng điện chảy qua trong khoảng 0 <  < π. Trong khoảng
π <  < 2π dòng tải id do cuộn cảm L cung cấp, nó giải phóng năng lượng được tích
lũy vào mạch L-R-D0. Nếu dùng cuộn cảm lớn có thể duy trì dịng id trong tồn chu
kỳ.
* Kết luận:
- Dịng điện tải chậm pha so với điện áp u2 một góc .
- Khi khơng có D0 thì điện áp tải có chứa một đoạn mang giá trị âm.
- Khi có D0 thì điện áp tải khơng có đoạn mang giá trị âm.
- Trong một chu kỳ, cuộn cảm L tích lũy được bao nhiêu năng lượng thì nó hồn lại
bấy nhiêu.
2.2.2 .Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ không điều khiển
* Xét trường hợp tải thuần trở
a> Sơ đồ nguên lý
I21
BA A
u1

D1

u21

ud

u22

Z

Id

C

I22 D2

B

Hình 2.19: Sơ đồ mạch chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kỳ không điều khiển với tải R
b> Nguyên lý làm việc và dạng sóng dịng điện, điện áp trong mạch
Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

74


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

Giả sử mạch làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng và điện áp đặt vào cuộn sơ cấp
máy biến áp là hình sin. Khi đó phía thứ cấp MBA suất hiện 2 điện áp u 21 và u22
bằng nhau về giá trị hiệu dụng nhưng ngược nhau về pha.
u21  2U 2 sin t

u22   2U 2 sin t

Ở nửa chu kỳ dương của điện áp u21 diode D1 được phân cực thuận cho dòng
điện chạy qua tải nên iD1 = id, ud = u21, uD1 = 0. Còn u22 âm, nên D2 bị phân cực
ngược, khóa lại do vậy iD2 = 0 , uD2 = u22 – u21.
Ở nửa chu kỳ âm của điện áp u21 , diode D1 bị phân cực ngược nên khóa lại.
Khi đó u22 dương, nên D2 được phân cực thuận cho dòng điện chạy qua tải nên
iD2 = id, ud = u22, uD2 = 0. Còn u22 âm, nên D2 bị phân cực ngược, khóa lại do vậy
iD1 = 0 , uD1 = u21 – u22

Như vậy cả 2 nửa chu kỳ D1 và D2 luân phiên đóng mở, cung cấp điện cho
tải trong cả chu kỳ. Từ nguyên lý làm việc ta xây dựng được dạng sóng dịng điện
và điện áp trong mạch như hình vẽ:
u2
0

u21

u 22
2

3

t

2

3

t

2

3

t

2

3

t

Ud (id)

0

uD1
0

i D2
0

Hình 2.20: Dạng sóng dịng điện, điện áp trong mạch chỉnh lưu hình tia một pha
nửa chu kỳ không điều khiển với tải thuần trở
Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

75


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

c> Công thức tính tốn trong mạch
- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu trên tải:
1
Ud 
2

2

1



 u dt   

2 .U 2 sin tdt 

d

0

2 2

0



U 2  0,9U 2

- Giá trị trung bình của dịng điện tải:
Id 

1





0

2U 2
U
2 2
sin tdt  d 
U
R
R
R 2

-Giá trị trung bình của dịng điện chảy qua mỗi diode:
I D1 AV  I D 2 AV

1

2




0

2U 2
I
sin tdt  d
R
2

- Dòng hiệu dụng thứ cấp máy biến áp

1
I 21  I 22 
2

2

 2U

U

0  R 2 sin t  dt  22.R  4 .I d





- Dòng hiệu dụng sơ cấp máy biến áp
Khi van dẫn ta có, dịng điện tức thời qua thứ cấp máy biến áp:
i2  i21 

2.U 2
.sin t
R

Nhận thấy dòng điện qua thứ cấp máy biến áp là dịng điện hình sin, nên suy ra
i1  m.i2 ; Với m là tỷ số máy biến dòng.

Vậy giá trị hiệu dụng của dòng điện sơ cấp máy biến áp được xác định:
2



1  m. 2.U 2 sin t 
m. 2.U 2 1  1  cos 2 
m. 2.U 2


I1 
dt 

dt 




 0
R
R
 0
2
R



-

1


I d  1,1.I d .m

2 2. 2

Điện áp ngược lớn nhất đặt trên mỗi van diode
U ng max  2. 2.U 2

-

Tính cơng suất máy biến áp
S2 = 2.U2.I21 = 1,74 Ud.Id
S1 = U1.I1 = 1,23 Ud.Id

- Hệ số công suất mạch chỉnh lưu:

Cos 

U d .I d
S2

Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

76


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

* Xét trường hợp tải R + E
a> Sơ đồ nguên lý
BA

A

D1

I21

u21

u1

ud

ud

Z

u22
I22

Id
-

+

C

E

E

D2

0

q1

0'

q2

q3

q4 2

3

B

q

Dạng sóng điện áp tải
Hình 2.21: Sơ đồ mạch chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kỳ không điều khiển với tải R+E

b>Ngun lý làm việc và dạng sóng dịng điện, điện áp trong mạch.
Giả sử mạch làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng với
0  E  2.U 2  U 21  U 22 và điện áp đặt vào cuộn sơ cấp máy biến áp là hình sin.

Khi đó phía thứ cấp MBA suất hiện 2 điện áp u21 và u22 bằng nhau về giá trị hiệu
dụng nhưng ngược nhau về pha.

u21  2U 2 sin t
u22   2U 2 sin t

Khi đó nguyên lý của mạch có thể mơ tả như sau:
- Trong khoảng 0    1 , khi đó khơng có van
nào dẫn nên id =iD2 = iD1= 0, ud = E, uD1 = u21 –E,
uD2 = u22 –E,
- Trong khoảng 1     2 , khi đó D1 dẫn cịn D2
khóa nên id  i D1 

2U 2 sin   E
, iD2= 0,
R

ud = u21, uD1 = 0, uD2 = u22 –u21,
- Trong khoảng  2     3 , khi đó khơng có van
nào dẫn nên id =iD2 = iD1= 0, ud = E, uD1 = u21 –E,
uD2 = u22 –E,
- Trong khoảng  3     4 , khi đó D2 dẫn cịn D1
khóa nên id  i D 2 

 2U 2 sin   E
, iD1= 0,
R
Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

77


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

ud = u22, uD2 = 0, uD1 = u21 –u22.

u21

u2

u 22

- Trong khoảng  4    2 , khi đó khơng có van
nào dẫn nên id =iD2 = iD1= 0, ud = E, uD1 = u21 –E,

0

q1

q2

q3

uD2 = u22 –E.
Các chu kỳ tiếp theo lặp lại tương tự.

q4

3

2

t

ud
t

0

uD1
0

t
u21-E

u21-u22

i D2
t

0

Hình 2.22: Dạng sóng dịng điện điện
áp mạch chỉnh lưu hình tia một pha
hai nửa chu kỳ tải R+E
c> Các biểu thức tính tốn trong mạch
-

Giá trị trung bình dịng điện qua tải:
Id 

1

2

 

1

2.U 2 .sin   E
2 2.U 2  cos 1 

d 
.
 .sin 1
R
R
T
 


Bằng cách thế  2    1   

2 .
ta xác định được biểu thức như trên.
T

-Giá trị trung bình của dòng điện chảy qua mỗi diode:
I D1 AV  I D 2 AV 

-

1
2

2




1

I
2.U 2 sin t  E
dt  d
R
2

Trị hiệu dụng dòng điện chảy qua nửa cuộn thứ cấp máy biến áp.
Dòng điện hiệu dụng qua nửa cuộn thứ cấp máy biến áp khi chuyển gốc tọa

độ 1 góc /2 đến O, có dạng:

Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

78


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

i21 


I 21  I 22 

1
2

2

 2.U 2  E

   R . cos   d 



2

2U 2  E
. cos 
R


2.U 2  E 1
.
R
2

2

-

2



 1  cos 2 
d 
2



 

2.U 2  E   sin 21
.
R
4

2

Điện áp trung bình trên tải
U d  I d .R  E

-

Điện áp ngược lớn nhất đặt trên mỗi van diode
U ng max  2. 2.U 2

2.2.3. Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha khơng điều khiển
* Xét trường hợp tải R+L với giả thiết dòng tải bằng phẳng và liên tục.
a> Sơ đồ nguên lý
uA

iA

uB

iB

uc

iC

u

ua
ub

D1

uc

D2
D3
L

R

id

ud

Hình 2.23: Sơ đồ ngun lý mạch ckỉnh lưu hình tia ba pha khơng điều khiển
b. Ngun lý làm việc và dạng sóng dịng điện, điện áp trong mạch
- Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng và điện áp phía thứ
cấp là điện áp hình sin lần lượt là ua = 2 U2sin  t(v), ub= 2 U2sin(  t-1200)(v),
uc= 2 U2sin(  t-2400)(v).
- Trong khoảng



<  t < 5. , thì D1 phân cực thuận, nên dẫn điện. Cịn D2
6
6

và D3 bị phân cực ngược, nên khơng dẫn điện, khi đó có dịng điện qua tải iD1 = id ;
iD2 = iD3 = 0, uD1 = 0; uD2 = uba < 0; uD3 = uca < 0 ; ud = ua > 0.

Chương 2 Chỉnh lưu không và có điều khiển

79


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

- Trong khoảng 5.



<  t < 9. , thì D2 phân cực thuận, nên dẫn điện. Còn
6
6

D1 và D3 bị phân cực ngược, nên khơng dẫn điện. Khi đó có dịng điện chạy qua tải
iD2 = id ; iD1 = iD3 = 0, uD2 = 0; u D3 = ucb < 0; uD1 = uab < 0 ; ud = ub > 0.
- Trong khoảng 9.



<  t< 13. , thì D3 phân cực thuận, nên dẫn điện. Còn
6
6

D1 và D2 bị phân cực ngược, nên khơng dẫn điện. Khi đó có dịng điện chảy qua tải
iD3 = itải ; iD1 = iD2 = 0, uD3 = 0; u D1 = uac < 0; uD2 = ubc < 0 ; utải = uc > 0.
- Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự.

c. Biểu thức tính tốn
- Điện áp trung bình trên tải.
Ud = 3.

5
6

1
2




6

ub

6

uc

6

t

ud

-Trị số trung bình của dòng điện tải:
3
2

ua

0

2 U2 sin (  t) d  t = 1,17.U2

6

Id 

6

u2

5
6




0

2 .U 2 . sin 
1,17.U 2
d 
R
R

uab uac

uD1

6

t

- Dịng trung bình qua Diode:
I DAV 

1
2

5
6




i D2

I
2 .U 2 .sin 
d  d
R
3

0

t

i D3

6

- Dòng hiệu dụng chảy qua cuộn dây thứ
0

cấp máy biến áp

I2 

1
2

5
6

i

6

2
d

d 

1
2

Hình 2.24: Giản đồ dòng, áp trong

5
6

I


t

2
d

d  0,58.I d

mạch chỉnh lưu tia ba pha tải R+L

6

- Khi D1 khóa, có điện áp ngược đặt trên D1:
u D1  ua  ub  6.U 2 sin( 


6

)

Như vậy điện áp ngược lớn nhất đặt lên D1 khi khóa là:

uD1= 6 U2
Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

80


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

* Xét trường hợp tải R:

a> Sơ đồ nguên lý
uA

iA

uB

iB

uc

iC

u

ua
ub

D1

uc

D2
D3
R

id

ud

Hình 2.25: Sơ đồ nguyên lý mạch ckỉnh lưu hình tia ba pha khơng điều khiển
b. Ngun lý làm việc và dạng sóng dòng điện, điện áp trong mạch
- Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng và điện áp phía thứ
cấp là điện áp hình sin lần lượt là ua = 2 U2sin  t(v), ub= 2 U2sin(  t-1200)(v),
uc= 2 U2sin(  t-2400)(v).
- Trong khoảng



<  t < 5. , thì D1 phân cực thuận, nên dẫn điện. Còn D2
6
6

và D3 bị phân cực ngược, nên khơng dẫn điện, khi đó có dịng điện qua tải iD1 = id ;
iD2 = iD3 = 0, uD1 = 0; uD2 = uba < 0; uD3 = uca < 0 ; ud = ua > 0.
- Trong khoảng 5.



<  t < 9. , thì D2 phân cực thuận, nên dẫn điện. Còn
6
6

D1 và D3 bị phân cực ngược, nên khơng dẫn điện. Khi đó có dịng điện chạy qua tải
iD2 = id ; iD1 = iD3 = 0, uD2 = 0; u D3 = ucb < 0; uD1 = uab < 0 ; ud = ub > 0.
- Trong khoảng 9.



<  t< 13. , thì D3 phân cực thuận, nên dẫn điện. Còn

6
6

D1 và D2 bị phân cực ngược, nên khơng dẫn điện. Khi đó có dịng điện chảy qua tải
iD3 = itải ; iD1 = iD2 = 0, uD3 = 0; u D1 = uac < 0; uD2 = ubc < 0 ; utải = uc > 0.
- Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự.

Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

81


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

c. Một số biểu thức tính tốn
- Điện áp trung bình trên tải.
Ud =3.

1
2

5
6




2 U2 sin (  t) d  t = 1,17.U2

- Giá trị trung bình của dịng điện tải:
3
2

ua

6

ub

6

uc

6

t

0

ud

6

Id 

6

u2

5
6




2 .U 2 . sin 
1,17.U 2
d 
R
R

0

uab uac

uD1

6

t

- Dòng trung bình qua Diode:
I DAV 

1
2

5

6




i D2

I
2 .U 2 .sin 
d  d
R
3

0

t

i D3

6

0

t

Hình 2.26: Giản đồ dịng, áp trong
mạch chỉnh lưu tia ba pha tải R
- Dòng hiệu dụng chảy qua cuộn dây thứ cấp máy biến áp
I2 

1
2

5
6

 id d 
2



6

1
2

5
6

2

 2 .U 2 . sin  
 d  0,58I d
 

R


6

- Khi D1 khóa, có điện áp ngược đặt trên D1
u D1  ua  ub  6.U 2 sin( 


6

)

Như vậy điện áp ngược lớn nhất đặt lên D1 khi hóa là:

uD1= 6 U2

Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

82


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

* Xét trường hợp tải R + E:
a> Sơ đồ nguên lý
uA

iA

uB

iB

uc

ua

u

iC

u2

ub

D1

uc

D2

uc
E

0

q
0'

D3
R

ub

ua

-π/3
-

+

π/3

id

ud

Hình 2.28: Đồ thị điện áp tải mạch chỉnh lưu hình

Hình 2.27: Sơ đồ nguyên lý mạch ckỉnh

tia ba pha với tải R +E khi E 

lưu hình tia ba pha không điều khiển

2 .U 2
2.

tải R +E

b. Nguyên lý làm việc
- Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng và điện áp phía thứ

cấp là điện áp hình sin lần lượt là ua = 2 U2sin  t(v), ub= 2 U2sin(  t-1200)(v),
uc= 2 U2sin(  t-2400)(v).
* Xét trường hợp E 
- Xét trong khoảng


6

2 .U 2
, khi đó dịng điện tải liên tục.
2.
 

5.
; khi đó Ua > UN > E; nên D1 dẫn dịng điện cịn D2;
6

D3 bị khóa do bị phân cực ngược.
- Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự.
Bằng cách lý giải tương tự ta có:
+ Trong khoảng

5
9
; D2 dấn dịng, D1, D3 khóa.
 
6
6

+ Trong khoảng

9
13
; D2 dấn dịng, D1, D3 khóa.
 
6
6

Như vậy ta thấy với E 

2 .U 2
dịng điện tải liên tục có cường độ dòng điện tức
2.

thời lần lượt như sau:
i1 

ua  E
;
R

i2 

ub  E
;
R

i3 

uc  E

;
R

Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

id max 

2.U 2  E
R

83


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất

Như vậy trường hợp này nguyên lý làm việc giống như tải thuần trở.

Từ nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu hình tia ba pha khơng điều khiển
ta có thể viết được các biểu thức tính tốn trong mạch cho trường hợp tải
R+E với E 

2 .U 2
2.

- Điện áp trung bình trên tải.
Ud 

3

2

5
6



2.U 2 . sin d  1,17.U 2



6

-Trị số trung bình của dịng điện tải:
Id 

3
2

5
6

2.U 2 .sin   E
1,17.U 2 E
d 

R
R
R



6

- Dịng trung bình qua Diode:
1
2

ID 

5
6




I
2 .U 2 . sin 
d  d
R
3

6

- Dòng hiệu dụng chảy qua cuộn dây thứ cấp máy biến áp
I 2  I a  Ib  Ic 

1
2

5
6

i


d

6

2

d 

1
2

5
6

2

 2.U 2 . sin   E 
 d  0,58I d

R


 


6

- Khi D1 khóa, có điện áp ngược đặt trên D1:
u D1  ua  ub  6.U 2 sin( 


6

)

Như vậy điện áp ngược lớn nhất đặt lên D1 khi khóa là:

uD1= 6 U2

Chương 2 Chỉnh lưu khơng và có điều khiển

84