Thiết kế và thi công một mô hình mạch kích THỶRISTOR trong thiết bị chỉnh lưu có điều khiển

PHAÀN B NOÄI DUNG Chöông 1 GIÔÙI THIEÄU SÔ LÖÔÏC VEÀ THYRISTOR I - Caáu taïo – Nguyeân lyù laøm vieäc cuûa Thyristor 1 - Caáu taïo Thyristor coøn goïi laø SCR (Sillcon – Controlled – Rectifier) laø loaïi linh kieän 4 lôùp P – N ñaët xen keõ nhau. Ñeå tieän vieäc phaân tích caùc lôùp baùn daãn naøy ngöôøi ta ñaët laø P1, N1, P2, N2, giöõa caùc lôùp baùn daãn hình thaønh caùc chuyeån tieáp laàn löôït töø treân xuoáng döôùi laø J1, J2, J3. Sô ñoà caáu truùc, kyù hieäu, sô ñoà töông ñöông vaø caáu taïo cuûa thyristor ñöôïc trình baøy H1 H.I.1a. H.I.1b H.I.1c H.I.1d A : Anoát K : catoát G : Cöïc ñieàu khieån J1, J3 : Maët tieáp giaùp phaùt ñieän tích J2 : Maët tieáp giaùp trung gian H.I.1a : Sô ñoà kyù hieäu cuûa SCR H.I.1b : Sô ñoà caáu truùc boán lôùp cuûa SCR H.I.1c : Sô ñoà moâ taû caáu taïo cuûa SCR H.I.1d : Sô ñoà töông ñöông cuûa SCR 2. Nguyeân lyù laøm vieäc cuûa thyristor: Coù theå moâ phoûng moät Thyristor baèng hai transistor Q1, Q2 nhö H.I.1d. Transistor Q1 gheùp kieåu PNP, coøn Q2 kieåu NPN. Goïi a1, a2 laø heä soá truyeàn ñieän tích cuûa Q1vaø Q2. Khi ñaët ñieän aùp U leân hai ñaàu A &K cuûa Thyristor, caùc maët tieáp giaùp J1 & J3 chuyeån dòch thuaän, coøn maët tieáp giaùp J2 chuyeån dòch ngöôïc ( J2 maët tieáp giaùp chung cuûa Q1 & Q2 ). Do ñoù doøng chaûy qua J2 laø IJ2 IJ2 = a1 Ie1 + a2Ie2 + Io. I0 : Laø doøng ñieän roø qua J2 Nhöng vì Q1 & Q2 gheùp thaønh moät toång theå ta coù: Ie1 = Ie2 = IJ2 = I. Do ñoù IJ2 = I = a1 I + a2 I + Io Suy ra => I = Io / [1-( a1 + a2 )] (1) Do J2 chuyeån dòch ngöôïc neân haïn cheá doøng chaûy qua noù, daãn ñeán a1, a2 cuøng ñieàu coù giaù trò nhoû, I » Io, caû hai transistor ôû traïng thaùi ngaét. a 1 Ie 0 H.I.2 Töø bieåu thöùc (1) ta thaáy raèng doøng ñieän chaûy qua Thyristor phuï thuoäc vaøo heä soá truyeàn ñieän tích a1 & a2. Moái quan heä giöõa a vaø doøng emiter ñöôïc trình baøy ôû H.I.2. Nhö vaäy khi a1 + a2 taêng daàn ñeán 1 thì I taêng raát nhanh. Theo sô ñoà töông ñöông cuûa SCR H.I.1d ta coù theå giaûi thích nhö sau: - Doøng IC1 chaûy vaøo cöïc B cuûa Q2 laøm cho Q2 daãn vaø IC2 taêng, töùc IB1 cuõng taêng (IC2 = IB1) khieán Q1 daãn maïnh -> IC1 taêng vaø cöù tieáp dieãn nhö theá. Hieän töôïng naøy goïi laø hoài tieáp döông veà doøng, taïo ñieàu kieän laøm taêng tröôûng nhanh doøng ñieän chaûy qua Thyristor. Doøng Ie1 taêng laøm cho a1 taêng (H.I.2), coøn taêng Ie2 laøm cho a2 taêng. Cuoái cuøng thöcï hieän ñöôïc ñieàu kieän (a1 + a2) -> 1, caû hai transistor chuyeån sang traïng thaùi môû, luùc naøy noäi trôû giöõa A vaø K cuûa SCR raát nhoû. Vaäy muoán laøm cho Q1, Q2 töø traïng thaùi ngaét chuyeån sang traïng thaùi baõo hoaø (hay muoán môû Thyristor) chæ caàn laøm taêng IB2. Ñeå laøm ñöôïc vieäc naøy ngöôøi ta thöôøng cho moät doøng ñieàu khieån Iñk chaûy vaøo cöïc coång cuûa Thyristor, ñuùng theo chieàu IB2 treân H.I.1d. II. Ñaëc tuyeán Volt - Ampere cuûa Thyristor: H.I.3 H.I.3 Ñaëc tuyeán Volt - Ampere cuûa Thyristor Ith max : Giaù trò cöïc ñaïi doøng thuaän Uth : Ñieän aùp thuaän Ung : Ñieän aùp ngöôïc Udt : Ñieän aùp ñaùnh thuûng Ing : Doøng ngöôïc. Io : Doøng roø qua Thyristor Idt : Doøng duy trì. Du : Ñieän aùp rôi treân Thyristor Ñeå giaûi thích ñöôïc yù nghóa vaät lyù cuûa ñöôøng ñaëc tuyeán Volt - Ampere Thyristor, ngöôøi ta chia ra laøm boán ñoaïn ñaùnh soá la maõ nhö H.I. 3b - Ñoaïn ( I) öùng vôùi traïng thaùi ngaét cuûa Thyristor. Trong ñoaïn naøy (a1 + a2 ) < 1, coù doøng roø qua Thyristor I » Io, vieäc taêng giaù trò U ít coù aûnh höôûng ñeán giaù trò doøng I. Khi U taêng ñeán giaù trò Uch (ñieän aùp chuyeån maïch) thì baét daàu quaù trình taêng tröôûng nhanh choùng cuûa doøng ñieän,Thyristor chuyeån sang trang thaùi môû. -Ñoaïn (II) öùng vôùi giai ñoaïn chuyeån dòch thuaän cuûa maët tieáp giaùp J2 (Q1, Q2 chuyeån sang traïng thaùi baõo hoaø). ÔÛ giai ñoaïn naøy, moãi moät löôïng taêng nhoû doøng ñieän öùng vôùi moät löôïng giaûm lôùn cuûa ñieän aùp. Ñoaïn naøy ñöôïc goïi laø ñoaïn ñieän trôû aâm. -Ñoaïn (III) öùng vôùi traïng thaùi môû cuûa Thyristor. Trong ñoaïn naøy caû 3 maët tieáp giaùp J1, J2, J3 ñieàu ñaõ chuyeån dòch thuaän, moät giaù trò ñieän aùp nhoû coù theå taïo ra moät doøng ñieän lôùn. Luùc naøy doøng ñieän thuaän chæ coøn bò haïn cheá bôûi ñieän trôû maïch ngoaøi, ñieän aùp rôi treân Thyristor raát nhoû. Thyristor ñöôïc giöõ ôû traïng thaùi môû chöøng naøo doøng Ith coøn lôùn hôn doøng duy trì Idt. - Ñoaïn (IV) öùng vôùi traïng thaùi cuûa Thyristor khi ta ñaët moät ñieän aùp ngöôïc leân noù (cöïc döông leân catoát, cöïc aâm leân Anod). Luùc naøy J1, J3 chuyeån dòch ngöôïc, coøn J2 chuyeån dòch thuaän, vì khaû naêng khoaù cuûa J3 raát yeáu neân nhaùnh ngöôïc cuûa ñaëc tính Volt-Ampere chuû yeáu ñöôïc quyeát ñònh baèng khaû naêng khoaù cuûa maët tieáp giaùp J1, do ñoù coù daïng nhaùmh ngöôïc cuûa ñaëc tính diod thöôøng. Doøng ñieän Ing coù giaù trò raát nhoû Ing » Io. Khi taêng Ung ñeán giaù trò Uñt (ñieän aùp ñaùnh thuûng) thì J1 bò choïc thuûng vaø Thyristor bò phaù hoûng. Vì vaäy ñeå traùnh hö hoûng cho Thyristor ta khoâng neân ñaët ñieän aùp ngöôïc coù giaù trò gaàn baèng Uñt leân Thyristor. Neáu cho nhöõng giaù trò khaùc nhau cuûa doøng ñieàu khieån Iñk thì seõ nhaän ñöôïc moät hoï ñöôøng ñaëc tính Volt-Ampere cuûa Thyristor (H.I.4). Ñoaïn (I) cuûa ñöôøng ñaëc tính Volt-Ampere seõ bò ruùt ngaén laïi vaø ñieän aùp Uch cuõng nhoû ñi neáu taêng daàn giaù trò Uñk. Khi doøng ñieàu khieån töông ñoái lôùn Iñk3 (H.I.4) thì ñöôøng ñaëc tính ñöôïc naén gaàn nhö thaúng gioáng nhö nhaùnh thuaän cuûa ñaëc tính Diod, coù theå noùi vôùi giaù trò cuûa Iñk nhö theá (a1 + a2) vaø maët tieáp giaùp J2 chuyeån dòch thuaän nhanh choùng. H.I.4 III. Caùc thoâng soá chuû yeáu cuûa Thyristor. 1. Ñieän aùp thuaän cöïc ñaïi (Uth.max): Laø giaù trò ñieän aùp lôùn nhaát coù theå ñaët leân Thyristor theo chieàu thuaän maø Thyristor vaãn ôû traïng thaùi môû. Neáu vöôït quaù giaù trò naøy coù theå laøm hoûng Thyristor. 2. Ñieän aùp ngöôïc cöïc ñaïi (Ung max): Laø ñieän aùp lôùn nhaát coù theå daët leân Thyristor theo chieàu ngöôïc maø Thyristor vaãn khoâng hoûng. Döôùi taùc ñoäng cuûa ñieän aùp naøy, doøng ñieän ngöôïc coù giaù trò Ing = (10 - 20)mmA. Khi ñieän aùp ngöôïc ñaët leân Thyristor löu yù phaûi giaûm doøng ñieàu khieån (H. I. 5) Ung Ung.max (10-20)mA Iñk=0 Iñk1=100mA Iñk2=1A Ing Iñk < Iñk1 < Iñk2 H.I.5 3. Ñieän aùp ñònh möùc (Uñm): laø giaù trò ñieän aùp cho pheùp ñaëc leân treân Thyristor theo chieàu thuaän vaø ngöôïc. Thoâng thöôøng U ñm = 2/3 Uth max 4. Ñieän aùp rôi treân Thyristor: Laø giaù trò ñieän aùp treân Thyristor khi Thyristor ñang ôû traïng thaùi môû. 5. Ñieän aùp chuyeån traïng thaùi (Uch): ÔÛ giaù trò ñieän aùp naøy, khoâng caàn coù Iñk, Thyristor cuõng chuyeån sang traïng thaùi môû. 6. Doøng ñieän ñònh möùc (Iñm): Laø doøng ñieän coù giaù trò trung bình lôùn nhaát ñöôïc pheùp chaûy qua Thyristor. 7. Ñieän aùp vaø doøng ñieän ñieàu khieån (Uñkmin, Iñkmin): Laø giaù trò nhoû nhaát cuûa ñieän aùp ñieàu khieån ñaët vaøo G - K vaø doøng ñieän ñieàu khieån ñaûm baûo môû ñöôïc Thyristor. 8. Thôøi gian môû Thyristor (Ton): Laø khoaûng thôøi gian tính töø söôøn tröôùc xung ñieàu khieån ñeán thôøi ñieåm doøng ñieän taêng ñeán 0,9 Iñm. 9. Thôøi gian khoaù Thyristor (Toff ): Laø khoaûng thôøi gian tính töø thôøi ñieåm I = 0 ñeán thôøi ñieåm laïi xuaát hieän ñieän aùp thuaän treân Anod maø Thyristor khoâng chuyeån sang traïng thaùi môû. 10. Toác ñoä taêng ñieän aùp thuaän cho pheùp (du/ dt): Laø giaù trò lôùn nhaát cuûa toác ñoä taêng aùp treân Anod maø Thyristor khoâng chuyeån töø traïng thaùi khoaù sang traïng thaùi môû. 11. Toác ñoä taêng doøng thuaän cho pheùp (di/ dt): laø iaù trò lôùn nhaát cuûa toác ñoä taêng doøng trong quaù trình môû Thyristor. IV. Môû Thyristor: + Caùc bieän phaùp môû Thyristor: a) Nhieät ñoä: Neáu nhieät ñoä Thyristor taêng cao, soá löôïng ñieän töû töï do seõ taêng leân, daãn ñeán doøng ñieän roø Io taêng leân. Söï taêng doøng naøy laøm cho heä soá truyeàn ñieän tích a1, a2 taêng vaø Thyristor ñöôïc môû. Môû Thyristor baèng phöông phaùp naøy khoâng ñieàu khieån ñöôïc söï chaïy hoãn loaïn cuûa doøng nhieät neân thöôøng ñöôïc loaïi boû. b ) Ñieän theá cao: Neáu phaân cöïc Thyristor baèng moät ñieän theá lôùn hôn ñieän aùp ñaùnh thuûng Uñt thì Thyristor môû. Tuy nhieân phöông phaùp naøy seõ laøm cho Thyristor bò hoûng neân khoâng ñöôïc aùp duïng. c ) Toác ñoä taêng ñieän aùp (du/dt): Neáu toác ñoä taêng ñieän aùp thuaän ñaët leân Anod vaø Catot thì doøng ñieän tích cuûa tuï ñieän tieáp giaùp coù khaû naêng môû Thyristor. Tuy nhieân doøng ñieän tích lôùn naøy coù theå phaù hoûng Thyristor vaø caùc thieát bò baûo veä. Thoâng thöôøng toác ñoä taêng ñieän aùp du/dt thì do nhaø saûn xuaát qui ñònh. d) Doøng ñieàu khieån cöïc G Khi Thyristor ñaõ phaân cöïc thuaän ta ñöa doøng ñieàu khieån döông ñaët vaøo hai cöïc G & K thì Thyristor daãn, doøng IG caøng taêng thì Uñt caøng giaûm. Khoaù Thyristor: Khoaù Thyristor töùc laø traû noù veà traïng thaùi ban ñaàu tröôùc khi môû vôùi ñaày ñuû caùc tính chaát coù theå ñieàu khieån ñöôïc noù. Coù hai phuông phaùp khoaù Thyristor : - Giaûm doøng ñieän thuaän hoaëc caét nguoàn cung caáp. - Ñaët ñieän aùp ngöôïc leân Thyristor. + Quaù trình khoaù Thyristor: Khi ñaët ñieän aùp ngöôïc leân Thyristor (H.I.7a ) tieáp giaùp J1, J3 chuyeån dòch ngöôïc, coøn J2 chuyeån dòch thuaän. Do taùc duïng cuûa ñieän tröôøng ngoaøi, caùc loã troáng trong lôùp P2 chaïy qua J3 veà Catot vaø trong lôùp N1 loå troáng chaïy qua J1 veà Anod taïo neân doøng ñieän ngöôïc chaïy qua taûi, giai ñoaïn naøy töø to -t1 ( H.I.7b ). Khi caùc loã troáng bò tieâu taùn heát thì J1 & J3 (chuû yeáu J1) ngaên caûn khoâng cho ñieän tích tieáp tuïc chaûy qua, doøng ngöôïc baét ñaàu giaûm xuoáng, töø t1 - t2 goïi laø thôøi gian khoaù Thyristor. Thôøi gian khoaù naøy thöôøng daøi gaáp 8 - 10 laàn thôøi gian môû. P1J1 N1 J2P2 J3 N2 Ith A Ip In K tm _ + U R t0 t1 t2 t H.I.7a H.I.7b Moät soá sô ñoà cô baûn cuûa Thyristor: 1. Sô ñoà chuû yeáu duøng Thyristor trong maïch moät chieàu. Sau khi ñaõ hieåu bieát caùc ñaëc tính cô baûn cuûa Thyristor ta nghieân cöuù moät soá sô ñoà chuû yeáu ñeå kieåm chöùng laïi caùc ñaëc tính ñoù veà phöông dieän thöïc haønh. H.I.9 H. I.9 giôùi thieäu moät coâng taéc tô moät chieàu ñôn giaûn duøng ñeå ñieàu khieån boùng ñeøn 12 Volt,100mmA. Neáu caàn thieát ta coù theå thay taûi khaùc vaøo vò trí cuûa boùng ñeøn, nhöng trong tröôøng hôïp taûi caûm khaùng thì caàn phaûi noái song song moät Diod D1 ñeå traùnh cho maïch khoûi söï coá do söùc ñieän ñoäng caûm öùng gaây ra. Khi ñoùng hoaëc caét maïch Thyristor duøng trong maïch naøy coù theå chòu ñöôïc doøng ñieän Anod ñeán 2A vaø coù theå ñöôïc ñoùng (thoâng maïch) bôûi doøng ñieän ñieàu khieån beù côõ vaøi traêm miliAmpere. Doøng ñieän ñieàu khieån ñöôïc caáp qua ñieän trôû baûo veä R1 vaø nuùt aán S1. Ñieän trôû R2 ñöôïc noái giöõa cöïc khieån vaø Catot duøng ñeå naâng cao ñoä oån ñònh cuûa maïch ñieän. Khi nhaán S1 thì maïch seõ ñoùng ñieän, moät khi Thyristor ñaõ môû thì duø cho nuùt S1 hôû maïch thì noù vaãn duy trì traïng thaùi môû ñoù. Muoán cho Thyristor ngöng daãn ta nhanh choùng ñöa doøng ñieän Anod trôû veà khoâng baèng caùch nhaán nuùt S2. H.I.10 giôùi thieäu moät phöông phaùp ngaét Thyristor. Thöïc vaäy, khi T ñang ôû trang thaùi môû, tuï C1 ñöôïc naïp töø nguoàn qua ñieän trôû R3. Khi ta aán S2 laïi, baûn cöïc döông cuûa tuï noái mass vaø aùp treân tuï laøm cho Anod cuûa T trôû thaønh aâm, ñieàu naøy gaây ñaûo ngöôïc phaân cöïc treân T vaø laøm cho noù ngaét. Tuï C1 phoùng raát nhanh nhöng ñuû ñeå giöõ cho anod aâm trong vaøi phaàn trieäu giaây, vaø do ñoù ñaûm baûo cho T ngöng daãn. Caàn chuù yù raèng neáu S2 vaãn giöõ traïng thaùi ñoùng sau khi doøng taûi ñaõ ñöôïc ngaét, thì tuï seõ ñöôïc naïp ngöôïc thoâng qua taûi, do ñoù caàn choïn tuï khoâng phaân cöïc nhö tuï Mylar hoaëc tuï Polyester. H.I.11 Moät phöông phaùp khaùc khoaù T baèng tuï nhö H.I.11. ÔÛ ñaây, ngöôøi ta duøng T2 phuï ñeå thay theá cho nuùt aán trong H.I.10. Thyristor T1 ñöôïc ngaét baèng caùch môû T2 trong khoaûng thôøi gian raát ngaén nhôø moät xung ñieän ñieàu khieån raát nhoû chaûy qua nuùt aán S2 vì doøng Anod cuûa noù ñöôïc caáp qua R3 coù giaù trò nhoû hôn doøng duy trì. H.I.12 giôùi thieäu moät sô ñoà Thyristor noái theo maïch dao ñoäng duøng ñeå ñieàu khieån hai boùng ñeøn rieâng bieät LP1 & LP2. Giaû söû T1 môû trong khi T2 ngaét tuï C1 (loaïi khoâng coù cöïc tính) ñöôïc naïp vôùi cöïc tính döông phía LP2. Khi aán S2, maïch seõ chuyeån traïng thaùi, T2 môû do taùc duïng cuûa cöïc ñieàu khieån vaø T1 seõ bò chính T2 khoaù laïi döôùi taùc duïng cuûa tuï C1. Ñoàng thôøi tuï naøy ñöôïc naïp theo chieàu ngöôïc laïi. Khi tuï ñöôïc naïp ñaày, traïng thaùi cuûa maïch coù theå thay ñoåi neáu ta aán nuùt S1. khi ñoù T2 ngaét nhôø tuï C1. Traïng thaùi dao ñoâäng naøy coù theå laëp ñi laëp laïi maõi. H.I.12 Caùc maïch H.I.9,H.I.10, H.I.11,H.I.12 ñeàu duøng cho taûi coá ñònh ñôn giaûn thuoäc loaïi maïch töï duy trì . H.I.13a H.I.13b H.I.13 giôùi thieäu moät heä thoáng baùo ñoäng ñôn giaûn duøng ñieän moät chieàu, vôùi loaïi taûi khoâng lieân tuïc nhö chuoâng ñieän, boä rung hoaëc coøi. Khi ñoùng nguoàn, moät doøng ñieän seõ chaûy qua cuoän daây phaàn öùng boá trí trong maïch coù hai tieáp ñieåm, doøng ñieän ñoù caûm öùng ra töø tröôøng trong cuoän daây neân laøm cho caùc tieáp ñieåm môû ra. Khi tieáp ñieåm môû doøng ñieän bò ngaét vaø töø tröôøng cuõng bò maát theo. Keát quaû laø caùc tieáp ñieåm laïi ñoùng laïi doøng ñieän chaûy qua cuoän daây, hieän töôïng nhö treân cöù theá laëp ñi laëp laïi. Moät taûi nhö vaäy ñöôïc xem nhö moät coâng taét tô ñoùng môû theo chu kyø vôùi toác ñoä raát nhanh. Khi taûi treân ñöôïc noái vaøo maïch H.I.13a tín hieäu baùo ñoäng chæ ñöôïc phaùt ra neáu S1 ñoùng. Do taûi coù ñieän caûm neân khi söû duïng vôùi maïch Thyristor ta caàn noái song song vôùi moät diod D1 caûn dòu. Khi caàn thieát ta coù theå laép sô ñoà treân theo kieåu maïch duy trì baèng caùch noái song song vôùi duïng cuï caûnh baùo moät ñieän trôû R3 = 470 ( H.I.13b ). Trong tröôøng hôïp naøy, khi heä thoáng baùo ñoäng töï ngaét do rung doøng Anod cuûa Thyristor khoâng bò trieät tieâu, maø chæ giaûm ñeán moät giaù trò qui ñònh bôûi ñieän trôû R3 vaø söùc ñieän ñoäng cuûa nguoàn. Neáu giaù trò naøy lôùn hôn doøng duy trì cuûa Thyristor thì T seõ töï duy trì. Nhaân ñieàu kieän ñoù doøng Anod seõ khoâng giaûm veà khoâng khi tín hieäu baùo ñoäng chuyeån vaøo khoaûng khe hôû doøng ñieän giöõa hai laàn rung, vaø do ñoù T seõ bò ngaét. Maïch tín hieäu baùo ñoäng H.I.13 ñöôïc duøng nhieàu trong caùc duïng cuï coù ñieän aùp thaáp (3 ñeán 12 volt) nhö chuoâng ñieän, boä rung coøi. Ñoù laø nhöõng duïng cuï ñieän tieâu thuï doøng döôùi 2A. Boä nguoàn phaûi ñaûm baûo caáp ñuû moät ñieän aùp treân 1.5V so vôùi ñieän aùp caàn thieát ñeå duïng cuï caûnh baùo hoaït ñoäng bình thöôøng. Phaàn ñieän aùp duøng ñeå buø vaøo ñieän aùp baõo hoaø cuûa Thyristor khi ñaõ thoâng. Sô ñoà cô baûn duøng Thyristor trong maïch xoay chieàu: H.I.14 H.I.14 trình baøy moät maïch ñieän töông ñöông nhö duøng khoaù ñoùng caét theo nöûa chu kyø ñeå ñieàu khieån boùng ñeøn 100W noái vôi nguoàn ñieän xoay chieàu 120V hoaëc 240V. Khi khoaù S1 môû cöïc ñieàu khieån cuûa Thyristor T ngaét vaø ñeøn taét. Ngöôïc laïi, neáu S1 ñoùng ôû thôøi ñieåm khôûi ñaàu cuûa moãi nöõa chu kyø döông T ñang ngaét, do ñoù toaøn boä ñieän aùp ñaët leân cöïc ñieàu khieån qua ñeøn, Diod D1 & R1, khi ñieän aùp ñuû ñeå moài thoâng T thì ñeøn saùng leân. Keå töø luùc T môû, ñieän aùp treân noù giaûm xuoáng giaù trò xaáp xæ khoâng, do ñoù doøng ñieàu khieån khoâng coøn nöõa. Luùc naøy doøng Anod coù giaù trò ñuû lôùn neân T thöïc teá ñöôïc duy trì ôû traïng thaùi môû trong suoát nöõa chu kyø döông. Noù seõ töï ñoäng ngaét vaøo cuoái nöõa chu kyø naøy khi giaù trò doøng Anod giaûm xuoáng khoâng. Quaù trình neâu treân seõ ñöôïc laëp ñi laëp laïi theo caùc nöõa chu kyø neáu ta giöõ S1 ôû traïng thaùi ñoùng. Khi môû S1,T seõ ngaét vaø ñeøn taét, vì nhö ñaõ trình baøy,T khoaù vaøo moãi chu kyø döông. Diod D1 trong maïch naøy coù taùc duïng ngaên khoâng cho ñieän aùp aâm ñaët leân cöïc khieån. Ñieän trôû R1 coù giaù trò ñuû nhoû ñeå cho pheùp moài thoâng T vaøo ñaàu nöõa chu kyø döông, nhöng noù cuõng phaûi coù giaù trò ñuû lôùn ñeå haïn cheá doøng ñieän ñænh nhoïn trong cöïc ñieàu khieån ôû moät giaù trò thích öùng. Khi ta ñoùng S1 vaøo thôøi ñieåm coù ñieän aùp cöïc ñaïi treân ñöôøng daây, caàn chuù yù raèng ñænh nhoïn cuûa aùp vaø doøng chæ ñaët leân ñieän trôû R1 trong vaøi phaàn trieäu giaây ñeå moài thoâng T, neân coâng suaát tieâu taùn treân R1 raát beù. H.I.15 Coù nhieàu caùch duøng Thyristor ñeå ñieàu khieån caû hai nöõa chu kyø trong maïch xoay chieàu. Trong H.I.15 vaø H.I.16 ñieän aùp xoay chieàu ñöôïc bieán ñoåi thaønh ñieän aùp chænh löu ( khoâng loïc ) nhôø caàu boán Diod D1, D2, D3, D4. Ñieän aùp chænh löu ñoù ñöôïc ñaët leân Thyristor T. Khi khoaù S1 môû, T ngaét neân khoâng coù doøng ñieän chaïy qua caàu vaø taûi. Khi S1 ñoùng, T ñöôïc noái thoâng ngay töø ñaàu moãi nöûa chu kyø, neân toaøn boä coâng suaát ñöôïc ñaët leân taûi. Trong khi T daãn, cöïc ñieàu khieån maát taùc duïng moät caùch töï ñoäng, nhöng T vaãn giöõ ôû traïng thaùi môû trong suoát caû nöaõ chu kyø nhö giaûi thích treân. T seõ töï ñoäng ngaét vaøo cuoái moãi nöûa chu kyø khi doøng Anod giaûm xuoáng khoâng, do ñoù sô ñoà naøy duøng ñeå caáp ñieän cho taûi moät chieàu. ÔÛ phía xoay chieàu cuûa caàu chænh löu ngöôøi ta ñaët caàu chì baûo veä khi coù söï coá. H.I.16 Trong H.I.16 taûi ñöôïc noái ôû phía xoay chieàu cuûa caàu, do ñoù maïch naøy ñöôïc duøng ñeå ñieàu khieån taûi xoay chieàu. Tröôøng hôïp naøy khoâng caàn caàu chì baûo veä, vì chính taûi ñaõ coù taùc duïng haïn cheá doøng ñieän giaù trò cho pheùp khi coù söï coá trong caùc phaàn töû. Cuoái cuøng H.I.17 maéc hai Thyristor T1 & T2 song song ngöôïc nhau ñeå taïo ra moät soùng hoaøn chænh caáp cho taûi. Khi S1 môû, cöïc khieån cuûa T1 & T2 khoâng ñöôïc caáp ñieän, taûi khoâng tieâu thuï naêng löôïng. Khi S1 ñöôïc ñoùng, cöïc khieån T1 ñöôïc caáp ñieän trong caùc nöõa chu kyø döông thoâng qua diod D2, ñieän trôû R2 vaø T1 môû. Ngöôïc laïi trong caùc nöõa chu kyø aâm, T2 ñöôïc môû thoâng qua D1 vaø R2. Nhö vaäy ta thöïc hieän ñöôïc ñieàu khieån toaøn soùng. H.I.17 ChöôngII CHÆNH LÖU COÙ ÑIEÀU KHIEÅN DUØNG THYRISTOR Thyristor thöôøng ñöôïc duøng ñeå ñieàu khieån caùc thieát bò duøng ñieän moät chieàu nhö caùc ñoäng cô ñieän moät chieàu, loø ñieän, caùc maùy haøn ñieän vaø ñeøn chieáu saùng vôùi hieäu suaát cao. Ñeå môû ñöôïc Thyristor caàn phaûi thoûa maõn hai ñieàu kieän: UAK > 0 vaø coù tín hieäu döông UGK - Coù doøng IG taùc ñoäng vaøo cöïc ñieàu khieån G cuûa Thyristor Do ñoù Thyristor thöôøng môû chaäm hôn Diod moät goùc töông öùng a. Goùc a naøy laø goùc môû chaäm (goùc kích) cuûa Thyristor. Tacoù a = wt w : Taàn soá goùc doøng ñieän xoay chieàu. t : Thôøi gian tính töø thôøi ñieåm môû Diod töông öùng (UAK baét ñaàu döông) ñeán thôøi ñieåm môû Thyristor (coù tín hieäu ñieàu khieån IG) Trong caùc maïch chænh löu duøng Thyristor, caùc Thyristor ñöôïc cung caáp töø nguoàn ñieän xoay chieàu moät pha hoaëc ba pha. Ñieàu naøy coù nghóa laø Thyristor seõ khoaù laïi khi doøng ñieän qua noù ñi qua trò soá khoâng, hoaëc noù bò phaân cöïc ngòch moät caùch töï nhieân theo qui luaät cuûa nguoàn ñieän xoay chieàu vaø tính chaát chaát cuûa phuï taûi. I. Caùc cheá ñoä cung caáp ñieän cho moät phuï taûi qua maïch chænh löu duøng Thyristor: Cheá ñoä cung caáp giaùn ñoaïn: Cheá ñoä naøy doøng cung caáp cho phuï taûi khoâng lieân tuïc. Ñeå minh hoaï cho cheá ñoä naøy ta xeùt maïch chænh löu moät pha moät nöûa chu kyø, coù sô ñoà nguyeân lyù (H.II.1a) vaø ñoà thò ñieän aùp (H.II.1b). H.II.1a H.II.1b Sô ñoà H.II.1a, Thyristorñöôïc ñieàu khieån baèng caùc xung doøng ñieän IG xuaát hieän chaäm sau ñieän aùp U moät goùc a naøo ñoù nhö H.II.1b Khi coù tín hieäu IG,Thyristor seõ môû, neân goùc a ñöôïc goïi laø goùc môû chaäm cuûa Thyristor. Khi Thyristor aùp treân hai ñaàu phuï taûi laø: Ud = U = Um sinwt Doøng I qua phuï taûi ñöôïc xaùc ñònh bôûi phöông trình: L(di/dt) + Rid = U = Um sinwt Nghieäm phöông trình: Vôùi : A : laø haèng soá tích phaân ñöôïc xaùc ñònh töø ñieàu kieän ban ñaàu. Döïa vaøo bieåu thöùc id ta coù ñöôøng cong id giaûm ñeán khoâng vaø Thyristor töï ñoäng taét. Do ñoù goùc l goïi laø goùc taét cuûa Thyristor, Thyristor tieáp tuïc ngaét cho ñeán thôøi ñieåm xuaát hieän xung IG tieáp theo ôû chu kyø sau cuûa ñieän aùp U. Nhö vaäy trong moãi chu kyø cuûa U doøng ñieän qua phuï taûi id chæ toàn taïi trong khoaûng töø a ñeán l, coøn töø l ñeán 2p doøng id = 0, toùm laïi doøng qua phuï taûi laø doøng giaùn ñoaïn. 2. Cheá ñoä cung caáp lieân tuïc ÔÛ cheá ñoä naøy doøng ñieän qua phuï taûi laø moät doøng ñieän lieân tuïc (luoân luoân lôùn hôn khoâng). Ñeå minh hoaï cheá ñoä naøy ta xeùt maïch chænh löu moät pha hai nöûa chu kyø. Sô ñoà nguyeân lyù H.II.2a vaø ñoà thò ñieän aùp, doøng ñieän .II.2b nhö sau: H.II.2a H.II.2b Trong sô ñoà H.II.2a caùc Thyristor T1 & T2 ñöôïc ñieàu khieån baèng caùc xung doøng ñieän IG1 vaø IG2, ôû moãi chu kyø xung ñieàu khieån IG1 ñöôïc cho treân cöïc ñieàu khieån cuûa T1 chaäm sau ñieän aùp u1 moät goùc a, coøn IG2 ñöôïc cho treân cöïc ñieàu khieån T2 chaäm sau IG1 moät goùc p nhö H.II.2b Taïi goùc a coù IG1 vaø U1 > 0 neân T1 môû vaø giaù trò doøng ñieän taûi trung bình laø: vaø coù daïng ñöôøng cong IT1 ôû H.II.2b Taïi goùc a + p, coù iG2 vaø U2 > 0 neân T2 môû, khi T2 môû Uk = UA 2 = U2. Ñieän aùp treân T1 luùc ñoù laø UA1k = UA 1 - Uk = U1 - U2 < 0 neân T1 khoaù laïi. Nhö vaäy khi T1 daãn thì T2 khoaù hay ngöôïc laïi khi T2 môû thì id =iT2 vaø coù daïng gioáng iT1 ôû nöõa chu kyø tröôùc. Baây giôø ta haõy xem ñieàu kieän naøo thì doøng id qua phuï taûi laø lieân tuïc, ta thaáy ñeå id lieân tuïc thì ngay tröôùc khi môû T2, doøng id = iT1 chöa giaûm ñeán 0. Noùi caùch khaùc doøng Id ôû goùc a vaø a + p lôùn hôn khoâng. Ta coù: Vì ida = id(a + p ) =ido , neân: Töø ñaây ruùt ra: Ta coù: Vì : Neân ñeå ido > 0 caàn coùù: suy ra ñieàu kieän ñeå id lieân tuïc ( ido > 0) laø Sin(a- j) < 0 hoaëc a<j trong ñoù j = arctg wL/R. Nhö vaäy ñieàu kieän ñeå chænh löu moät pha hai nöûa chu kyø laøm vieäc ôû cheá ñoä cung caáp lieân tuïc laø goùc môû chaäm Thyristor a < j. Sô ñoà chænh löu caàu moät pha duøng Thyristor: 1. Chænh löu caàu moät pha duøng Thyristor vôùi phuï taûi laø thuaàn trôû: Sô ñoà nguyeân lyù H.II. 3a vaø ñoà thò doøng aùp H.II. 3b a) Söï hoaït ñoäng cuûa maïch vaø söï bieán thieân ñieän aùp vaø doøng ñieän chænh löu: Trong maïch H.II.3a duøng 4 Thyristor T1, T'1, T2, T2' caùc Thyristor ñöôïc ñieàu khieån baèng caùc xung doøng ñieän töông öùng IG1, IG1' IG2, IG2'. Maïch chænh löu ñöôïc cung caáp töø moät nguoàn ñieän xoay chieàu qua maùy bieán aùp vôùi ñieän aùp thöù caáp: U 2 =U2m sin wt H.II.3a H.II.3b Caùc xung ñieàu khieån IG1, IG1',IG2, IG2' coù cuøng chu kyø vôùi U2 nhöng xuaát hieän khoâng ñoàng thôøi vôùi U2, caùc xung IG1, IG2 'xuaát hieän sau U2 moät goùc laø a Coøn caùc xung IG2, IG1' xuaát hieän sau U2 moät goùc p + a (H.II.3b). Trong nöûa chu kyø ñaàu: U2 (0 <=wt < p ), U2 döông, caùc Thyristor T1, T2' ñöôïc phaân cöïc thuaän. Do ñoù wt = a (coù IG1 vaø IG'2) caùc Thyristor T1 vaø T'2 môû. Luùc ñoù doøng ñieän ñi töø ñieåm A qua T1 ñeán M qua phuï taûi R ñeán N qua T'2 veà B. Caùc Thyristor naøy môû cho ñeán luùc wt = p, taïi wt = p thì U 2 = 0. Doøng ñieän Thyristor cuõng baèng khoâng (ôû maïch thuaàn trôû doøng ñieän cuøng pha ñieän aùp) vaø Thyristor taét moät caùch töï nhieân. Trong thôøi gian Thyristor naøy môû (a =< w =< p ) ñieän aùp chænh löu (ñieän aùp ôû hai ñaàu phuï taûi) laø: ud = u 2 = u 2m Sin wt, Doøng qua phuï taûi vaø Thyristor id = iT1 = ud /R = u 2m / R Sin wt Coøn ñieän aùp treân T1 laø uT1 = 0 Sang nöûa chu kyø hai cuûa u2 (p =< wt = < 2 p); u2= 0, caùc Thyristor T1' vaø T2 phaân cöïc thuaän. Do ñoù taïi goùc a + p (coù iG1 vaø i'G1) caùc T2, T'1 môû, doøng ñi töø B qua T2 ñeán M qua R ñeán N qua T'1 veà A. Caùc Thyristor naøy môû cho ñeán wt = 2 p. Taïi w = 2 p, U2 = 0, doøng qua Thyristor baèng 0 vaø Thyristor ngaét. Trong thôøi gian T2, T'1 môû, ñieän aùp chænh löu laø: ud = - u2 = -u2m Sin w t. doøng qua phuï taûi vaø T2 laø id = iT2 = Ud/R = -(u 2m /R )Sin wt. Vôùi söï môû cuûa T2 vaø T'1 ; uM =uB vaø uN = uA. Luùc ñoù ñieän aùp treân T'2 vaø T1 seõ laø: uT1 = uA - uM = uA-uB = u2 < 0 uT'2 = uN -uB = uA - uB = u2 < 0 Do ñoù T1 vaø T'2 khoaù laïi (iT1 = 0), nhö vaäy söï môû cuûa moät ñoâi Thyristor naøy, seõ daãn ñeán söï khoaù moät caùch töï nhieân cuûa ñoâi Thyristor khaùc vaø caùc ñöôøng cong bieán thieân cuûa ud, id vaø uT1 coù daïng H.II.3b b) Caùc thoâng soá cuûa maïch chænh löu caàu moät pha duøng Thyristor khi taûi thuaàn trôû: Giaù trò trung bình cuûa ñieän aùp chænh löu: Töø H.II.3b, ta coù: U2m laø bieân ñoä thöù caáp maùy bieán aùp Khi a töø 0 ñeán p thì udo cuõng thay ñoåi töø U2m / p ñeán 0. Do ñoù ta coù theå ñieàu khieån Udo baèng caùch thay ñoåi a. - Giaù trò ñieän aùp ngöôïc cöïc ñaïi treân moãi Thyristor: ungmax = u2m khi a =< p /2. ungmax = u2m Sin a khi a >= p /2. Heä soá nhaáp nhoâ cuûa ñieän aùp chænh löu: K0 = (udmax -ud min )/2udo. Ñoái vôùi maïch chænh löu naøy udmin = 0 ; udmax = u2m, khi a =< p /2 vaø udmax = u2mSin a khi a > p/2. Do ñoù khi a =< p/2, ta coù: Khi a > p /2, ta coù: - Giaù trò trung bình cuaû doøng ñieän qua phuï taûi: - Trò soá cöïc ñaïi Imax, trò soá hieäu duïng I vaø trò soá trung bình io cuûa doøng ñieän qua moãi Thyristor: imax = id max = u2m / R Trò soá hieäu duïng I2 cuûa doøng thöù caáp vaø coâng suaát S cuûa Maùy bieán aùp. ÔÛ moãi nöûa chu kyø ñieän aùp u2, doøng ñieän qua cuoän daây thöù caáp chính laø doøng ñieän qua caùc Thyristor môû. Do ñoù: Heä soá coâng suaát cuûa maïch thöù caáp Maùy bieán aùp: 2. Chænh löu caàu moät pha duøng Thyristor vôùi phuï taûi R, L: Sô ñoà nguyeân lyù H.II.4a vaø ñoà thò aùp doøng H.II.4b. Söï hoaït ñoäng cuûa maïch vaø söï bieán thieân cuûa ñieän aùp vaø doøng ñieän chænh löu: Ñieàu khieån môû Thyristor trong maïch naøy gioâùng nhö vôùi phuï taûi thuaàn trôû, töùc laø chuùng ta duøng caùc xung doøng ñieàu khieån iG1,I'G1,iG2,I'G2 coù cuøng chu kyø vôùi ñieän aùp u2. Song IG1 vaø I'G2 chaäm sau u2 moät goùc a, coøn IG2 vaø I'G1 chaäm sau u2 moät goùc p+a + Trong nöûa chu kyø ñaàu cuûa ñieän aùp u2 ( 0 = 0 caùc Thyristor T1 vaø T2' môû. Doøng ñieän ñi töø ñieåm A qua T1 ñeán M qua phuï taûi ñeán N vaø qua T'2 veà ñieåm B. H.II.4a H.II.4b -Ñieän aùp chænh löu (ôû hai ñaàu phuï taûi): ud = u2 = u2m sin wt Ñieän aùp treân T1 laø : uT1 = 0 Doøng ñieän qua phuï taûi id ñöôïc xaùc ñònh L(did/ dt) + Rid = u2 = u2m Sin wt Giaûi ra ta ñöôïc: Vôùi : j = Artg wL/R A : Haèng soá tích phaân xaùc ñònh töø ñieàu kieän ban ñaàu + Trong nöûaa chu kyø sau cuaû ñieän aùp u2 (p =< w =<2p ) ; u2 < 0; T1' vaø T2 phaân cöïc thuaän. Do ñoù taïi goùc pha wt = a + p (coù iG1 vaø i'G1) caùc Thyristor T2, T'1 môû, luùc ñoù doøng ñieän ñi töø B qua T2 ñeán M qua phuï taûi ñeán N qua T'1 veà A. Ñieän aùp chænh löu laø: ud = - u2 = -u2m Sin w t. Doøngñieän chænh löu id bieán thieân gioùng nhö nöõa chu kyø ñaàu söï môû cuûa T2 vaø T'1 laøm cho uM =uB vaø u N = uA. Luùc ñoù ñieän aùp treân T'2 vaø T1 taïi wt = a + p, seõ laø: uT1 = uA - uM = uA-uB = u2 < 0 uT'2 = uN -uB = uA - uB = u2 < 0 Ñieàu ñoù laøm cho T1 vaø T'2 ngaét moät caùch töï nhieân. b) Caùc thoâng soá cuûa maïch chænh löu: Giaù trò trung bình ñieän aùp chænh löu Nhö vaäy khi thay ñoåi goùc a cuûa Thyristor töø 0 ñeán p/2 ta coù theå ñieàu khieån Udo töø 2u2m/p ñeán 0. Ñieän aùp cöïc ñaïi treân moãi Thyristor: ungmax =u 2m Heä soá nhaáp nhoâ cuûa ñieän aùp chænh löu: K = ( udmax - udmin ) /2udo, maø umax = 2u 2m udmin = u 2m Sin (a + p )= -u 2msin a - Giaù trò trung bình cuûa doøng ñieän qua phuï taûi: Theo ñöôøng cong H.II.4b thì: maø id ñöôïc xaùc ñònh töø phöông trình: L ( did/dt ) + Rid = ud Laáy tích phaân hai veá: Töø ñöôøng cong H.II.4b ta coù: id( a ) =id ( a + p ) = Io, do ñoù : Coøn: Nhö vaäy ta coù: RId = udo hay Id = Udo / R = (2/R p)u2m cos a Tröôøng hôïp phuï taûi coù ñieän caûm L raát lôùn thì id coù giaù trò khoâng ñoåi vaø baèng trò soá trung bình Id cuûa noù. Trò cöïc ñaïi Imax, trò soá hieäu duïng I vaø trò soá trung bình io cuûa doøng ñieän qua Thyristor. Ñeå tính toaùn ta giaû söû id = Id = const Luùc ñoù imax = Id Trò soá hieäu duïng cuûa doøng thöù caáp I2 vaø coâng suaát S cuûa maùy bieán aùp. ÔÛ moãi chu kyø cuûa u2, doøng ñieän qua cuoän daây thöù caáp chính laø doøng ñieän qua caùc Thyristor môû. Do ñoù: Heä soá coâng suaát cuûa maïch thöù caáp Maùy Bieán AÙp: Khi goùc môû a caøng lôùn thì Cosj2 caøng beù III. Maïch chænh löu caàu moât pha khoâng ñoái xöùng: Sô ñoà maïch vaø nguyeân lyù hoaït ñoäng: Trong sô ñoà H.II.5a söû duïng hai Thyristor T1 vaø T2, hai diod D'1 vaø D'2. Vieäc thay theá caùc Thyristor baèng caùc diod laø giaûm giaù thaønh cuûa caùc maïch chænh löu maø vaãn ñieàu khieån ñöôïc Udo. Caùc Thyristor T1 vaø T2 ñöôïc ñieàu khieån baèng caùc xung doøng ñieän IG1, IG2 xuaát hieän chaäm sau ñieän aùp u2 moät goùc a vaø a + p nhö H.II.5b. H.II.5a H.II.5b Trong nöûa chu kyø ñaàu cuûa u2 (0 = 0, T1 vaø D'2 phaân cöïc thuaän. D'2 daãn ngay taïi goùc wt = 0, song phaûi ñôïi ñeán goùc pha wt = a (coù tín hieäu iG1) thì T1 môùi môû vaø maïch ñieän môùi thoâng töø A qua T1 ñeán M qua phuï taûi ñeán N qua D'2 veà B. Luùc naøy ñieän aùp treân hai ñaàu phuï taûi M vaø N laø ud = u2 Ñieän aùp treân T1 vaø D'2 : uT1 = uD'2 = 0 Giaû thieát phuï taûi coù ñieän caûm L lôùn, doøng qua phuï taûi laø khoâng ñoåi vaø baèng trò soá trung bình cuûa noù Id. Trong nöûa chu kyø sau cuûa u2 ( p =< wt =< 2p ), u 2 < 0,T2 vaø D'1 phaân cöïc thuaän, D'1 daãn ngay taïi goùc wt = p, song phaûi ñôïi ñeán goùc pha wt = a +p (coù tín hieäu iG1) thì T2 môùi môû vaø maïch ñieän môùi thoâng töø B qua T2 ñeán M qua phuï taûi ñeán N qua D'1 veà A. Luùc naøy ñieän aùp treân hai ñaàu phuï taûi M vaø N laø: ud = -u2. Do T2 vaø D'1 môû neân ñieän aùp taïi ñieåm N vaø M laø: UN ._.