Mach Dong Luc

ch¬ng 2. ThiÕt kÕ bé b¨m ¸p mét chiÒu 2.1 Tãm t¾t lÝ thuyÕt B¨m ¸p mét chiÒu lµ bé biÕn ®æi ®iÖn ¸p mét chiÒu thµnh xung ®iÑn ¸p. §iÒu chØnh ®é réng xung ®iÖn ¸p, ®iÒu chØnh ®îc trÞ sè trung b×nh ®iÖn ¸p t¶i. C¸c bé b¨m ¸p mét chiÒu cã thÓ thùc hiÖn theo s¬ ®å m¹ch nèi tiÕp (phÇn tö ®ãng c¾t m¾c nèi tiÕp víi t¶i) hoÆc theo s¬ ®å m¹ch song song (phÇn tö ®ãng c¾t ®îc m¾c song song víi t¶i). 2.1.1. B¨m ¸p mét chiÒu nèi tiÕp 1. Nguyªn lÝ b¨m ¸p mét chiÒu nèi tiÕp C¸c bé b¨m ¸p mét chiÒu thêng gÆp hiÖn nay lµ c¸c bé b¨m ¸p nèi tiÕp. Trong phÇn giíi thiÖu thiÕt kÕ nµy quan t©m nhiÒu ®Õn c¸c bé b¨m ¸p lo¹i ®ã. S¬ ®å nguyªn lÝ b¨m ¸p mét chiÒu nèi tiÕp giíi thiÖu trªn h×nh 2.1a. Theo ®ã phÇn tö chuyÓn m¹ch t¹o c¸c xung ®iÖn ¸p m¾c nèi tiÕp víi t¶i. §iÖn ¸p mét chiÒu ®îc ®iÒu khiÓn b¾ng c¸ch ®iÒu khiÓn thêi gian ®ãng kho¸ K trong chu k× ®ãng c¾t. Trong khoang 0 ÷ t1 (h×nh 2.1b) kho¸ K K b»ng ®iÖn ¸p nguån (Ud = U1), trong ®ãng ®iÖn ¸p t¶i U 0. U kho¶ng t1 ÷ t2 kho¸ K më ®iÖn ¸p t¶i b»ng d U1 U1 Ud Zd t a.

t1 TCK

t2

b. H×nh 2.1 B¨m ¸p mét chiÒu nèi tiÕp; a. s¬ ®å nguyªn lÝ; b. ®­êng cong ®iÖn ¸p. TrÞ sè trung b×nh ®iÖn ¸p t¶i ®îc tÝnh: t

1 1 Ud = U 1 .dt TCK ∫0 =

(2.1)

t1 U1 Tck

130

nÕu coi γ =

t1 th×: Tck

Ud = γ. U1 Trong ®ã: Ud - ®iÖn ¸p t¶i mét chiÒu; U1 - ®iÖn ¸p nguån cÊp mét chiÒu; t1 – kho¶ng thêi gian ®ãng kho¸ K; Tck – chu k× ®ãng c¾t kho¸ K;

γ - ®é réng xung ®iÖn ¸p. Tõ biÓu thøc (2.1) thÊy r»ng, muèn ®iÒu khiÓn ®iÖn ¸p t¶i Ud cÇn ®iÒu khiÓn ®é réng xung ®iÖn ¸p γ. §é r«ng xung ®iÖn ¸p nµy cã thÓ ®îc ®iÒu chØnh b»ng mét trong 2 th«ng sè: hoÆc lµ ®iÒu chØnh thêi gian ®ãng khãa K (t1) gi÷ chu k× ®ãng c¾t TCK kh«ng ®æi; hoÆc lµ ®iÒu chØnh chu k× ®ãng c¾t TCK gi÷ thêi gian ®ãng khãa K (t1) kh«ng ®æi. Tuy nhiªn, viÖc thay ®æi chu k× ®ãng c¾t kho¸ K lµm cho chÊt lîng ®iÒu khiÓn cña ph¬ng ph¸p nµy xÊu, ngêi ta Ýt dïng. §iÒu nµy cã thÓ minh ho¹ b»ng viÖc ho¹t ®éng cña bé b¨m ¸p víi t¶i ®iÖn c¶m. 2. Ho¹t ®éng cña s¬ ®å víi t¶i ®iÖn c¶m K U,i

Rd U1

D0

Ld

Ud

id

Ud t

a.

b.

H×nh 2.2 B¨m ¸p mét chiÒu víi t¶i ®iÖn c¶m; a. S¬ ®å m¹ch; b.C¸c ®­ êng cong

Khi t¶i ®iÖn c¶m, ®Ó x¶ n¨ng lîng cña cuén d©y ®iÖn c¶m ngêi ta thêng m¾c song song víi t¶i mét ®ièt x¶ n¨ng lîng nh h×nh 2.2. Dßng ®iÖn ch¹y qua t¶i ®îc x¸c ®Þnh b»ng ph¬ng tr×nh vi ph©n: Khi kho¸ K ®ãng:

131

U1 = R d.i + L d

di dt

(2.2)

Trong ®ã: i – dßng ®iÖn t¶i; Rd - ®iÖn trë t¶i; Ld - ®iÖn c¶m t¶i Khi kho¸ K më: 0 = Rd .i + Ld

di dt

(2.3)

Gi¶i c¸c ph¬ng tr×nh vi ph©n (2.2), (2.3) ta cã nghiÖm: i = I bd .e

−

t Td

t −  Td  + I XL 1 − e  

   

(2.4)

Trong ®ã: Ib® - dßng ®iÖn ban ®Çu cña chu k× ®ang xÐt (më hay ®ãng kho¸ K); IXL – dßng ®iÖn x¸c lËp cña chu k× ®ang xÐt Khi kho¸ K ®ãng I XL = Td =

U1 ; Khi kho¸ K më IXL = 0 Rd

Ld - h»ng sè thêi gian ®iÖn tõ cña m¹ch Rd

D¹ng ®êng cong dßng ®iÖn vÏ theo biÓu thøc (2.4) biÕn thiªn cã d¹ng nh trªn h×nh 2.2b. §é nhÊp nh« cña dßng ®iÖn t¶i ®îc tÝnh [1]. ∆I =

(1− γ).γ.U 1.TCK 2L d

(2.5)

Tõ biÓu thøc (2.5) thÊy r»ng, biªn ®é dao ®éng dßng ®iÖn phô thuéc vµo bèn th«ng sè: ®iÖn ¸p nguån cÊp (U1); ®é réng xung ®iÖn ¸p (γ); ®iÖn c¶m t¶i (Ld) vµ chu k× chuyÓn m¹ch kho¸ K (TCK). C¸c th«ng sè: ®iÖn ¸p nguån cÊp, ®é réng xung ®iÖn ¸p phô thuéc yªu cÇu ®iÒu khiÓn ®iÖn ¸p t¶i, ®iÖn c¶m t¶i Ld lµ th«ng sè cña t¶i. Do ®ã ®Ó c¶i thiÖn chÊt lîng dßng ®iÖn t¶i (gi¶m nhá ∆I) cã thÓ t¸c ®éng vµo TCK. Nh vËy, nÕu chu k× chuyÓn m¹ch cµng bÐ (hay tÇn

132

sè chuyÓn m¹ch f =

1 cµng lín) th× biªn ®é ®Ëp m¹ch dßng TCK

®iÖn cµng nhá, chÊt lîng dßng ®iÖn mét chiÒu cµng cao. Do ®ã bé ®iÒu khiÓn nµy thêng ®îc thiÕt kÕ víi tÇn sè cao hµng chôc kHz. 2.1.2. B¨m ¸p mét chiÒu song song Trong nh÷ng trêng hîp t¶i cã mét nguån n¨ng lîng nµo ®ã (vÝ dô ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu lµm viÖc ë chÕ ®é m¸y ph¸t), viÖc x¶ n¨ng lîng cña t¶i lµ cÇn thiÕt. N¨ng lîng nµy thêng ®îc tr¶ vÒ nguån líi. Tuy nhiªn, khi cÇn ®iÒu chØnh dßng ®iÖn t¶i th× m¾c song song víi t¶i mét kho¸ chuyÓn m¹ch nh s¬ ®å h×nh 2.3 lµ hîp lÝ. Trong kho¶ng 0 ÷ t1 kho¸ K ®ãng D0 kho¸ (cÇn thiÕt ®Ó tr¸nh ng¾n m¹ch nguån) iN = 0; Ud = 0; iS = id. Trong kho¶ng t1 ÷ TCK kho¸ K më D0 dÉn iN = id; Ud = U1; iS = 0. Gi¸ trÞ trung b×nh cña ®iÖn ¸p t¶i mét chiÒu 1 Ud = TCK

TCK

∫ U .dt

(2.6)

1

t1

= (1− γ )U1

iN

+ U1

D0

Ud

id

iS

Rd

K

Ld Ed

a.

Ud

0 iN

t t

TCK

1

t iS t t

TCK

b. 1 H×nh 2.3 S¬ ®å m¹ch b¨m ¸p mét chiÒu song song; a. S¬ ®å ®éng lùc; b. c¸c ®­êng cong. Gi¸ trÞ trung b×nh cña dßng ®iÖn t¶i tr¶ vÒ nguån. (2.7) IN = (1 - γ). Id. Gi¸ trÞ trung b×nh cña dßng ®iÖn ch¹y qua kho¸ K. 133

IN = γ. Id.

(2.8)

Gi¸ trÞ trung b×nh cña dßng ®iÖn t¶i. Id =

Ed − U d . Rd

(2.9)

Qua c¸c biÓu thøc (2.6), (2.9) thÊy r»ng muèn ®iÒu chØnh dßng ®iÖn t¶i cÇn ®iÒu chØnh ®é r«ng xung (γ) ®ãng kho¸ K. 2.1.3. B¨m ¸p nèi tiÕp vµ song song phèi hîp D1 iN

+ U1

id KN iS KS

Rd D2

Ld

Ud

Ed

Khi t¶i lµm viÖc ë chÕ ®é nhËn n¨ng lîng tõ líi b»ng b¨m H×nh 2.4 S¬ ®å b¨m ¸p nèi tiÕp, song song ¸p nèi tiÕp vµ tr¶ n¨ng lîng vÒ líi b»ng b¨m ¸p song song cã phèi hîp. thÓ dïng s¬ ®å b¨m ¸p nèi tiÕp vµ song song phèi hîp nh h×nh 2.4. ë chÕ ®é nhËn n¨ng lîng tõ líi ®iÒu khiÓn K1, ë chÕ ®é tr¶ n¨ng lîng vÒ líi ®iÒu khiÓn K2 (chó ý hai khãa chuyÓn m¹ch nµy kh«ng ®îc cïng ®ãng mét lóc). 2.2 ThiÕt kÕ m¹ch ®éng lùc Nh ®· giíi thiÖu ë trªn, bé b¨m ¸p mét chiÒu lµ mét bé b¨m ®iÖn ¸p mét chiÒu thµnh c¸c xung ®iÖn ¸p. §iÖn ¸p trªn t¶i mét chiÒu Ud phô thuéc tû sè thêi gian ®ãng kho¸ b¸n dÉn trªn chu k× ®ãng c¾t. Chóng ta ®· chøng minh r»ng c¸c bé b¨m ¸p mét chiÒu chØ cã ý nghÜa vµ cã u ®iÓm h¬n h¼n chØnh lu (thùc chÊt chØnh lu còng lµ b¨m ¸p theo ®êng cong ®iÖn ¸p h×nh sin) khi tÇn sè b¨m xung lín. TÇn sè nµy cã thÓ hµng chôc KHz. C¸c van b¸n dÉn ®îc dïng lµm kho¸ ®ãng c¾t cho c¸c bé b¨m ¸p mét chiÒu lµ c¸c Tiristor hay Tranzitor. Chóng ta sÏ xem xÐt viÖc thiÕt kÕ c¸c bé b¨m ¸p mét chiÒu b»ng c¸c linh kiÖn t¬ng øng.

134

2.2.1.ThiÕt kÕ bé b¨m ¸p mét chiÒu víi van ®éng lùc lµ Tiristor 1. Chän s¬ ®å nguyªn lÝ Do ®Æc ®iÓm vÒ cÊu t¹o vµ ho¹t ®éng cña c¸c linh kiÖn b¸n dÉn c«ng suÊt, c¸c bé b¨m ¸p mét chiÒu lµm viÖc víi dßng ®iÖn lín, van ®éng lùc thêng chän lµ Tiristor. Tiristor trong b¨m ¸p mét chiÒu kh«ng tù kho¸ ®îc. ChuyÓn m¹ch trong c¸c bé b¨m ¸p mét chiÒu nhiÒu khi lµm phøc t¹p thªm s¬ ®å thiÕt kÕ. Mét bé b¨m ¸p mét chiÒu b»ng Tiristor ®îc thiÕt kÕ cã thÓ cho phÐp lµm viÖc víi chuyÓn m¹ch mét tÇng (mçi chu k× cã mét xung ®iÒu khiÓn) hay chuyÓn m¹ch hai tÇng (mçi chu k× cã hai xung ®iÒu khiÓn). a. B¨m ¸p mét chiÒu chuyÓn m¹ch mét tÇng M¹ch b¨m ¸p mét chiÒu b»ng Tiristor chuyÓn m¹ch mét tÇng giíi thiÖu trªn h×nh 2.5. Nguyªn lÝ lµm viÖc cña c¸c s¬ ®å m¹ch b¨m ¸p mét tÇng h×nh 2.5 ®îc gi¶i thÝch víi t¶i cã ®iÖn c¶m lín cã c¸c gi¶ thiÕt sau: ®iÖn ¸p vµo vµ dßng ®iÖn t¶i kh«ng ®Ëp m¹ch, nghÜa lµ U1 = const, Id = const. Nguyªn lÝ chuyÓn m¹ch mét tÇng lµ dïng th«ng sè cña m¹ch dao ®éng L, C ®Ó kho¸ tiristor. Thêi gian dÉn cña tiristor T1 phô thuéc kho¶ng thêi gian n¹p vµ x¶ tô trong m¹ch L,C. Khi Tiristor T1 (h×nh 2.5a) kho¸ tô chuyÓn m¹ch C ®îc n¹p tíi ®iÖn ¸p nguån theo chiÒu cùc tÝnh nh h×nh 2.5a. Khi T1 dÉn t¹i t1 (h×nh 2.6) tô b¾t ®Çu x¶ víi dßng x¶ ic qua T1.

+ U1

L

T1

T1

T1 C

C

C D0

Ud

U1

L

L

D0

Ud

Id U 1 Zd

Id D0

Ud

H×nh 2.5 S¬ ®å b¨m ¸p mét chiÒu b»ng Tiristor chuyÓn m¹ch mét tÇng

Khi tiristor T1 dÉn dßng ®iÖn t¶i ch¹y qua nã (tríc ®ã dßng ®iÖn t¶i ch¹y qua D0). Sau mét nöa chu k× dao ®éng 135

Zd

céng hëng tô C ®æi chiÒu ®iÖn ¸p (UC). Vµo chu k× sau cña m¹ch dao ®éng c«ng hëng tô n¹p ngîc l¹i, dßng ®iÖn ch¹y ngîc chiÒu dÉn cña Tiristor T1. NÕu ®¶m b¶o ®ñ ®iÒu kiÖn IT1 = Id+iC = 0, th× T1 kho¸ (thêi ®iÓm t2 trªn h×nh 2.6). Kho¶ng thêi gian dßng ®iÖn t¶i ch¹y ®Þnh:

qua T1 ®îc x¸c

tT1 = t2 - t1 ≈ π⁄ω0 = π L .C Sau khi kho¸ T1, tô C tiÕp tôc x¶ vµ n¹p ngîc l¹i qua t¶i tõ -UCO ®Õn Ud. Thêi gian kho¸ cña T1 b»ng thêi gian x¶ tô C (tõ ®iÖn ¸p -UC0 tíi 0). tk = t3 - t2 = UC0.C/Id ≈ Ud.C/Id. Khi tô n¹p l¹i tíi ®iÖn ¸p +U1 ®ièt D0 kho¸. Nguyªn nh©n lµ do ®iÖn c¶m chuyÓn m¹ch L c¶n trë viÖc gi¶m ®ét ngét vÒ 0 cña iC, dßng ®iÖn cña tô C tiÕp tôc tån t¹i do søc ®iÖn ®éng tù c¶m cña cuén d©y L theo m¹ch C-U1-D0-L-C, ®iÒu nµy lµm dao ®éng ®iÖn ¸p trªn tô C.

(2.10)

U®k

t

id Id

t

iT1 Id

t

iC

t4

t

iD0

H×nh d¹ng dßng ®iÖn trªn tô iC, dßng ®iÖn trªn ®ièt D0 iD0, ®iÖn ¸p trªn tô UC vµ trªn Tiristor phô thuéc vµo tÇn sè xung ®iÒu khiÓn T1 còng nh dßng ®iÖn t¶i nh giíi thiÖu trªn h×nh 2.6 ®îc tÝnh:

t

UT1

§iÖn ¸p trung b×nh trªn t¶i π . L.C 2.U1.C IT 1 = I d − T Id

t

U1

UC

t

U1

Ud

t1

t2

t t3

t5

H×nh 2.6 Gi¶n ®å ®­êng cong b¨m ¸p chuyÓn (2.11) m¹ch mét tÇng

Dßng ®iÖn trung b×nh cña Tiristor Ud ≈

U1  2.U1.C   π . L.C +  T  I d 

(2.12)

Dßng ®iÖn trung b×nh ch¹y qua ®ièt D0 I D0 = I d

T − (tT 1 + 2.t K ) T

(2.13) 136

Nh ®· nãi ë trªn qu¸ tr×nh phãng n¹p cña tô ch¹y qua t¶i vµ thêi gian phãng n¹p phô thuéc dßng ®iÖn t¶i. b. Bé b¨m ¸p chuyÓn m¹ch hai tÇng

C

Trong c¸c s¬ ®å chuyÓn m¹ch hai tÇng, c¸c tô chuyÓn m¹ch ®îc nèi b»ng m¹ch Tiristor phô m¾c song song v¬Ý Tiristor ®éng lùc (T1) hoÆc m¾c song song víi t¶i nh giíi thiÖu trªn h×nh 2.8, 2.9. Theo c¸c s¬ ®å nµy, sau khi kho¸ xong Tiristor ®éng lùc, tô chuyÓn m¹ch C n¹p l¹i b»ng dßng L2 ®iÖn t¶i (khi t¶i ®iÖn c¶m). ViÖc phãng n¹p tô lµm cho ®L êngTcong ®iÖn ¸p t¶i xuÊt hiÖn nh÷ng xung phôT do n¨ng l2 1 1 îng cña c¸c linh kiÖn kh©uTchuyÓn m¹ch g©y nªn. 1 + T3 Id T2 D Id L C + 0 Id - T2 D0 T3 - T2 D

L

U1

Zd U1

Ud

Zd Ud U1

T1

+ -

U1 L

Ud

Zd

T3

C

C

U1

T3

T2

W2

-

g.

D2 + U1 -

Zd Ud

T3

L 1 D0

+ h.

T1

L1 T3

T2

L2

Id

T2

f.

L2

-

L1

-

T1

Id U Zd Ud 1

D0

U1

C+

U1

Zd Ud

e.

+

W1

T1

-

D0

- +

D2

L1

+

T2

d. +-

T1

D0

Id

D2

T1

-

-

+

C

L1

+

Zd Ud

T5

c.

D2

L2

T2

C

b.

a. +

T4

C

Id Zd U U d 1

T2 T5

T4

C

D0

- + T3

i.

T1 T3

L T2

+ k.

Id D0

Zd Ud

C

H×nh 2.8 C¸c s¬ ®å b¨m ¸p mét chiÒu b»ng Tiristor víi chuyÓn m¹ch hai tÇng.

137

Id Zd Ud

C¸c s¬ ®å chuyÓn m¹ch song song cã thÓ chia thµnh hai lo¹i: a) ChuyÓn m¹ch b»ng tô. Khi chuyÓn m¹ch tô ®îc nèi song song víi Tiristor ®éng lùc T 1 (c¸c s¬ ®å h×nh 2.8 a, b, c, d, e, f, g, h); tô chuyÓn m¹ch m¾c song song víi t¶i (h×nh 2.8 i, k). b) ChuyÓn m¹ch b»ng khung dao ®éng L1C khi chuyÓn m¹ch m¾c song song víi Tiristor ®éng lùc T1 (h×nh 2.9 a, b, c, d) hoÆc m¾c song song víi t¶i (h×nh 2.9e, f) ë c¸c s¬ ®å h×nh 2.8 a, b, f, g sau khi n¹p tô víi cùc tÝnh nh h×nh vÏ, c¸c Tiristor ®éng lùc kh«ng kho¸ ®îc. Muèn c¸c Tiristor ®éng lùc kho¸ ®îc cÇn ph¶i ®æi chiÒu ®iÖn ¸p tô C. ViÖc ®æi chiÒu ®iÖn ¸p tô ë c¸c s¬ ®å h×nh 2.8 a, f, g ®îc thùc hiÖn theo m¹ch qua Tiristor ®éng lùc T1 khi T1 dÉn. VÝ dô, ë s¬ ®å h×nh 2.8a m¹ch ®æi chiÒu ®iÖn ¸p lµ C-T1-L1D1-C, ë s¬ ®å h×nh 2.8 f m¹ch ®ã lµ C-T1-T3-L1-C, ë s¬ ®å h×nh 2.8 g C-T1-W2-D1-C. Tiristor ®éng lùc trong c¸c s¬ ®å nµy chÞu thªm mét dßng ®iÖn x¶ tô ch¹y qua. ë s¬ ®å h×nh 2.8 b ®æi chiÒu ®iÖn ¸p tô chuyÓn m¹ch thùc hiÖn b»ng m¹ch C-L1-T3-C Trong c¸c s¬ ®å 2.8c, i m¹ch ®æi dÊu ®iÖn ¸p tô kh«ng cã, c¸c Tiristor phô T2 - T5 tõng ®«i mét sÏ ®Æt ®iÖn ¸p lªn Tiristor ®éng lùc theo chiÒu hîp lÝ. D2

D2 T1

+ U1

L1

T2

D0

U1 -

D2 T1

T2

CL

1

- + D 0

T3

d .

T3

U1

Zd Ud

L1 +

-

T2

Zd Ud U1

L1

b .

- +

-

C

T2

D0

Id Zd Ud

T3

T2

Id

C

U1

Zd Ud

D0

c .

D2 T1

Id

C

T3

T1

+ Id

Id

-

D2

L2

D0

-

+

a . +

U1

T1

+

T2 L1 C + T3

Id Zd Ud

+-

T1

+

T3 C

D2

- + L1

f. e H×nh 2.9 B¨m ¸p b»ng.tiristor chuyÓn m¹ch b»ng L,C

D0

138

Zd Ud

C¸c s¬ ®å 2.8 a, b, f, g cã dßng ®iÖn x¶ tô ch¹y qua t¶i, do ®ã ë miÒn dßng t¶i nhá chÊt lîng ®iÖn cña c¸c s¬ ®å nµy xÊu. Khi chuÈn bÞ ®iÖn ¸p cho qu¸ tr×nh kho¸ T1, trong c¸c s¬ ®å 2.8d, e tô C ®îc m¾c song song víi t¶i (s¬ ®å d theo m¹ch C-T3-L1, s¬ ®å e - theo m¹ch C-T3). Khi chuyÓn m¹ch tô m¾c song song víi Tiristor T1, do ®ã trong qu¸ tr×nh n¹p chuÈn bÞ dßng ®iÖn n¹p tô ch¹y qua T1. Trong s¬ ®å 2.8h, k tô C khi chuyÓn m¹ch m¾c song song víi t¶i. ë s¬ ®å k dßng ®iÖn x¶ tô kh«ng ch¹y qua Tiristor ®éng lùc. ë c¸c s¬ ®å 2.8 e, f, g, i ®iÖn c¶m chuyÓn m¹ch m¾c vµo m¹ch ®éng lùc sÏ lµm ¶nh hëng tíi c¸c qu¸ tr×nh lµm viÖc x¶y ra trong m¹ch ®éng lùc khi dÉn còng nh chuyÓn m¹ch. Trong c¸c s¬ ®å nµy, ®iÖn c¶m L1 cã t¸c dông giíi h¹n tèc ®é t¨ng dßng ®iÖn cña c¸c tiristor vµ ®ièt khi chóng ®ãng c¾t. Khi më Tiristor chuyÓn mach T2 ®iÖn c¶m L1 lµm gi¶m tèc ®é biÕn thiªn dßng ®iÖn T1. Trong trêng hîp nµy tô ®îc n¹p tíi gi¸ trÞ ©m h¬n. Khi t¨ng dßng ®iÖn t¶i t¨ng ®iÖn ¸p trªn tô, nghÜa lµ ë c¸c s¬ ®å nµy cã tån t¹i hiÖn tîng tÝch luü n¨ng lîng trong c¸c linh kiÖn chuyÓn m¹ch, lµm t¨ng kh¶ n¨ng qu¸ t¶i cña s¬ ®å vµ gi¶m ®îc ®iÖn dung cña tô. Nhîc ®iÓm cña c¸c s¬ ®å nµy lµ t¨ng ®iÖn ¸p trªn c¸c linh kiÖn khi t¨ng dßng ®iÖn t¶i. C¸c s¬ ®å h×nh 2.9 kh¸c víi c¸c s¬ ®å h×nh 2.8 ë chç, trong m¹ch tô chuyÓn m¹ch C cã ®iÖn c¶m L1 m¾c nèi tiÕp, c¸c linh kiÖn LC nµy khi chuyÓn m¹ch ®îc m¾c song song víi tiristor ®éng lùc, hay song song víi t¶i. Trong c¸c s¬ ®å h×nh 2.9 chÕ ®é lµm viÖc cña T1 nhÑ h¬n, bëi v× dßng ®iÖn anod cña T1 gi¶m vÒ 0 vµ gi¶m biªn ®é dßng ®iÖn ngîc Tiristor. C¸c tô chuyÓn m¹ch trong s¬ ®å h×nh 2.9 a, b n¹p ®iÖn qua t¶i, cßn ë s¬ ®å h×nh c, d, e, f tô n¹p kh«ng qua t¶i. Nhîc ®iÓm chung cña c¸c s¬ ®å h×nh 2.8, 2.9 lµ h×nh d¹ng ®êng cong ®iÖn ¸p lÖch khái xung vu«ng lµm cho vïng ®iÒu khiÓn vµ ®é cøng ®Æc tÝnh ngoµi thÊp, tÇn sè b¨m 139

xung bÞ giíi h¹n. §Ó phÇn nµo kh¾c phôc nhîc ®iÓm nµy b»ng c¸ch t¨ng tèc ®é n¹p x¶ cña tô theo c¸c c¸ch: 1) Ng¾n m¹ch Tiristor T1 b»ng dio® D2 vµ ®iÖn c¶m L2 (nh trªn h×nh 2.8 a, b, c, d. e, f vÏ nÐt ®øt). 2) Ng¾n m¹ch tiristor T1 b»ng ®ièt D2 (trªn h×nh 2.9 a, b, c, e, f); ng¾n m¹ch T1 b»ng m¹ch L1, D2 (h×nh 2.8 e, f, 2.9 d) c. B¨m ¸p mét chiÒu chuyÓn m¹ch nèi tiÕp. Trong c¸c s¬ ®å chuyÓn m¹ch nèi tiÕp, xung ®iÖn ¸p khãa tiristor ®îc thiÕt lËp tõ m¹ch m¾c nèi tiÕp víi tiristor ®éng lùc T1, t¶i vµ nguån cÊp. §Ó lµm ®îc viÖc nµy, s¬ ®å h×nh 2.10 a, b ®a thªm ®iÖn c¶m vµo m¹ch dßng ®iÖn ®éng lùc, h×nh 2.10c ®a thªm cuén d©y biÕn ¸p. Xung ®iÖn ¸p khi cÇn khãa T1 cã ®îc nhê phãng ®iÖn tô chuyÓn m¹ch. M¹ch vßng phãng ®iÖn cña tô ®Ó khãa T 1 trong thêi gian chuyÓn m¹ch kh«ng ¶mh hëng tíi dßng ®iÖn t¶i. Dßng ®iÖn cña m¹ch nµy kh«ng tham gia vµo viÖc phãng ®iÖn cña tô C. §Æc tÝnh ngoµi cña b¨m ¸p mét chiÒu chuyÓn m¹ch nèi tiÕp cøng h¬n c¸c s¬ ®å chuyÓn m¹ch song song ®· nªu ë trªn. T1

L1 T2

C

U1

L2

D0

T3

T1

L1

D1

T2

C

U Zd 1 L2

D0

T3

a.

L1

b.

ZdUCM T2

C

Zd

D0 T1

W1

U1

W2

c.

H×nh 2.10 M¹ch b¨m ¸p mét chiÒu chuyÓn m¹ch nèi tiÕp

d. B¨m ¸p cã ®¶o chiÒu. H×nh 2.11 giíi thiÖu mét sè s¬ ®å b¨m ¸p cã ®¶o chiÒu. H×nh 2.11a lµ s¬ ®å bé b¨m ¸p ®¶o chiÒu víi mét cÆp van chuyÓn m¹ch. Xung ®iÒu khiÓn ®ång thêi ®a vµo hai tiristor T1, T2 (hay T3, T4 tuú theo chiÒu cùc tÝnh cÇn cã cña t¶i). Hai tiristor trong mét cÆp ®îc m¾c nèi tiÕp nhau. Xung ®iÖn ¸p ra ®îc t¹o bëi sù chuyÓn m¹ch mét trong hai tiristor nèi tiÕp (mét chiÒu ®iÖn ¸p t¶i chuyÓn m¹ch T1, chiÒu ngîc l¹i chuyÓn m¹ch T3). Kh©u chuyÓn m¹ch ®Ó kho¸ 140

c¸c tiristor T1, T3 ®îc thiÕt kÕ b»ng m¹ch tiristor T5, tô C, ®iÖn c¶m L1 (®iÖn c¶m m¾c nèi tiÕp trong m¹ch ®éng lùc). Tô chuyÓn m¹ch ®îc n¹p ban ®Çu nh trªn h×nh 2.11a qua ®iÖn c¶m L2 vµ ®ièt D5. §iÒu kiÖn lµm viÖc b×nh thêng cña m¹ch lµ ®iÖn c¶m L2 lín h¬n nhiÒu so víi L1 (cã thÓ coi L1/L2 ≈ 0,05-0,01). VÝ dô ë chiÒu ®iÖn ¸p t¶i khi T1, T2 ®ang dÉn. §Ó kho¸ T1, t¹i thêi ®iÓm cÊp xung ®iÒu khiÓn tiristor T5 tô C phãng qua ®iÖn c¶m L1 (UCO > U1), lµm cho T1 kho¸. Dßng ®iÖn t¶i x¶ n¨ng lîng cuén d©y ®iÖn c¶m t¶i khÐp vßng qua T2, ®ièt D4, ®iÖn ¸p t¶i trong kho¶ng thêi gian nµy b»ng 0. Khi cÇn ®¶o chiÒu ®iÖn ¸p t¶i, cÊp xung ®iÒu khiÓn cho cÆp tiristor T3, T4 víi kho¶ng trÔ thêi gian tèi thiÓu cho phÐp, thêi gian trÔ nµy cÇn thiÕt ®Ó cuén d©y ®iÖn c¶m L d x¶ hÕt n¨ng lîng. Do m¹ch phãng ®iÖn cña tô C cã cuén d©y ®iÖn c¶m L1 tÝch luü n¨ng lîng, nªn tô C n¹p l¹i víi ®iÖn ¸p lín h¬n gi¸ trÞ ban ®Çu. ë lÇn chuyÓn m¹ch tiÕp theo, ®iÖn ¸p trªn tô t¨ng dÇn lªn, nghÜa lµ m¹ch vßng chuyÓn m¹ch tån t¹i chÕ ®é tÝch luü n¨ng lîng. Do viÖc tÝch luü n¨ng lîng mµ c«ng suÊt c¸c linh kiÖn cña m¹ch ®éng lùc vµ chuyÓn m¹ch t¨ng. §Ó gi¶m nhá chÕ ®é tÝch luü n¨ng lîng trong m¹ch vßng chuyÓn m¹ch, cã thÓ thùc hiÖn b»ng hai c¸ch: 1) m¾c m¹ch phô song song víi T5 b»ng D6, R6 x¶ n¨ng lîng dù tr÷, hoÆc D7 L c¶m chuyÓn m¹ch L1 b»ng R7, D7; 2) dïng song+song 1 D6 R®iÖn U C 6 + LC1 vÒ nguån cÊp U1 3b»ng biÕn ¸p tr¶ n¨ng lîngWtõ ®iÖn c¶m 2 1 D6 L1 R7 T5 T58. m¹ch W2, D U1

T1

D5 L2 D 4

Zd

T4

T3

a)

1

D3

U2

T2

T3 BA3

Zd

T4

T7

+

BA1 D4

L1

W1

U2 T1

L4 L5

T2

T4

L3

b)

W2

W2

U

D4

L2

T6

Zd

BA2

BA1

D2

T1 T3

D1

U1 D2

T2

D5

D8

D1

+ -

W2

T5 T6 C

T7 W1

1

BA2

c)

W1 BA3

H×nh 2.11 Mét sè s¬ ®å b¨m ¸p ®¶o chiÒu

U3

D7 C2

+ 141

C2

Trong s¬ ®å h×nh 2.11b m¹ch chuyÓn m¹ch cã hai kh©u: kh©u c¬ b¶n (L1, C1, T5) vµ kh©u phô (C2, L4, T6 hoÆc C2, L5, T7). Kh©u chuyÓn m¹ch phô chØ ho¹t ®éng khi cÇn thùc hiÖn tøc thêi ®¶o chiÒu ®iÖn ¸p t¶i. Khi ®¶o chiÒu ®iÖn ¸p t¶i, cÊp xung ®iÒu khiÓn më T5 vµ c¾t xung ®iÒu khiÓn cÆp tiristor ®ang dÉn T1, T2 (hay T3, T4). Tiristor T1 (hay T3) bÞ kho¸. Xung ®iÒu khiÓn më cÆp tiristor cÇn më T3, T4 ®îc cÊp chËm sau mét kho¶ng thêi gian tc = 2T (T – chu k× chuyÓn m¹ch tiristor). Trong kho¶ng tc, cÊp xung ®iÒu khiÓn c¸c tiristor T6 (hay T7) cña m¹ch vßng chuyÓn m¹ch. Trong kho¶ng thêi gian nµy tiristor T2 (hay T4) kho¸, dßng ®iÖn t¶i (do ®iÖn c¶m x¶ n¨ng lîng) khÐp vßng qua c¸c ®ièt D3, D4 (hay D1, D2) vµ nguån cÊp U1, do ®ã mµ dßng ®iÖn gi¶m nhanh. Trªn h×nh 2.11c giíi thiÖu s¬ ®å b¨m ¸p ®¶o chiÒu theo quy luËt ®iÒu khiÓn kh«ng ®èi xøng vµ chuyÓn m¹ch b»ng biÕn ¸p. Trong s¬ ®å cã ba biÕn ¸p chuyÓn m¹ch. Kho¸ c¸c tiristor nhãm anod (T2 hay T4) ®îc thùc hiÖn b»ng m¹ch tô C1, c¸c tiristor T5, T6 vµ c¸c biÕn ¸p chuyÓn m¹ch BA1, BA2 (c¸c lo¹i biÕn ¸p nµy lµ biÕn ¸p xung). Nguyªn lÝ ho¹t ®éng cña kh©u chuyÓn m¹ch nµy nh sau: Khi më T5 tô C1 ®îc n¹p tõ nguån cÊp U2 qua T5 vµ cuén s¬ cÊp biÕn ¸p BA1 (cã ®iÖn c¶m L1). Trªn cuén d©y thø cÊp biÕn ¸p BA1 c¶m øng mét xung ®iÖn ¸p lµm kho¸ T 2. Tiristor T4 khãa khi më T6 vµ phãng ®iÖn tô C1 lªn cuén d©y s¬ cÊp biÕn ¸p BA2. Kho¸ c¸c tirisor ë nhãm catod (T2, T3) ®îc thùc hiÖn nhê m¹ch tô C2, tiristor T7 vµ biÕn ¸p BA3. N¹p ®iÖn cho tô C2 ®îc lÊy tõ nguån U3 qua ®iÖn c¶m L2 vµ ®ièt D7, cho phÐp x¶ n¨ng lîng cña tô vÒ nguån U1. 142

2. TÝnh chän c¸c linh kiÖn. C¸c linh kiÖn c¬ b¶n cña b¨m ¸p mét chiÒu b»ng Tiristor gåm cã: Tiristor ®éng lùc T1, tô chuyÓn m¹ch C, ®iÖn c¶m chuyÓn m¹ch L, ®ièt chuyÓn m¹ch D1, ®ièt x¶ n¨ng lîng D0, Tiristor chuyÓn m¹ch T2. Th«ng sè cña c¸c linh kiÖn nµy cã thÓ ®îc tÝnh nh sau: IT1max

IT1

H×nh 2.12 §êng cong ®iÖn ¸p dßng ®iÖn cña b¨m ¸p mét chiÒu b»ng tiristor h×nh 2.8a

IT2

t

t0

tX t

2tk ID0 t0 ID1 UC +U1

TCH/

t

t

t -U1 Dßng ®iÖn trung b×nh ch¹y qua Tiristor ®éng lùc T1 ®îc tÝnh: I T1TB = I d.

γ + I D1TB γ + t0

(2.14)

Trong ®ã: IT1TB – dßng ®iÖn trung b×nh ch¹y qua Tiristor T1. Id – dßng ®iÖn t¶i trung b×nh. γ - ®é réng xung ®iÖn ¸p t¶i. t0 – kho¶ng trèng xung ®iÖn ¸p.

143

ID1TB – dßng ®iÖn trung b×nh ch¹y qua ®ièt chuyÓn m¹ch. Dßng ®iÖn trung b×nh ch¹y qua Tiristor chuyÓn m¹ch. I T1TB = I d.

2γ γ + t0

(2.15)

Trong ®ã tK – thêi gian kho¸ Tiristor (thêi gian Tiristor chuyÓn tõ tr¹ng th¸i dÉn vÒ tr¹ng th¸i ban ®Çu) Dßng ®iÖn trung b×nh ch¹y qua ®ièt x¶ n¨ng lîng D0 I D0TB = I d.

γ − 2tK γ + t0

(2.16)

Tô chuyÓn m¹ch ph¶i ®¶m b¶o kh¶ n¨ng chuyÓn m¹ch cña Tiristor T1 ngay c¶ nh÷ng trêng hîp xÊu nhÊt, khi dßng ®iÖn t¶i cã gi¸ trÞ cùc ®¹i vµ ®iÖn ¸p trªn tô chuyÓn m¹ch cã gi¸ trÞ cùc tiÓu. Tô C ®îc tÝnh: C≥

I d.tK U1min

(2.17)

Trong ®ã U1min – trÞ sè ®iÖn ¸p nguån cÊp thÊp nhÊt. TÇn sè m¹ch dao ®éng: ω=

1

(2.18)

L 1.C.

MÆt kh¸c ®iÖn c¶m ®îc yÝnh tõ dßng ®iÖn tèi ®a qua Tiristor T1 trong thêi gian ®ãng: I T1max = I d +

U1max C = I d + U1max. ωL 1 L1

(2.19)

§iÖn c¶m L1 ®îc tÝnh: L 1 = C.

U1max

( I T1max− I d ) 2

.

(2.20)

2.2.2. ThiÕt kÕ bé b¨m ¸p mét chiÒu víi van ®éng lùc lµ Tranzitor. u ®iÓm lín nhÊt cña tranzitor so víi tiristor lµ cã thÓ lµm viÖc ë tÇn sè cao vµ dÔ ®iÒu khiÓn, nªn Tranzitor ®îc dïng lµm van ®éng lùc cho c¸c bé b¨m ¸p mét chiÒu kh¸ phæ biÕn [11].

144

C¸c bé b¨m ¸p mét chiÒu cã thÓ lµ lo¹i b¨m ¸p nèi tiÕp nh h×nh 2.13a, hay b¨m ¸p song song nh giíi thiÖu trªn h×nh 2.13b Trong s¬ ®å b¨m ¸p nèi tiÕp h×nh 2.13a, khi Tranzitor dÉn dßng ®iÖn ch¹y qua Tranzitor b»ng dßng ®iÖn t¶i, nghÜa lµ Tranzitor ®îc m¾c nèi tiÕp víi t¶i. Trong s¬ ®å b¨m ¸p song song h×nh 2.13b, khi Tranzitor dÉn t¶i ng¾n m¹ch, ë trêng hîp nµy Tranzitor m¾c song song víi t¶i. Dßng ®iÖn t¶i chØ cã thÓ tån t¹i khi Tranzitor kho¸.

L

T M§K

Zd

T

M§K

a

Zd

b

H×nh 2.13 S¬ ®å ®éng lùc b¨m ¸p mét chiÒu b»n Tranzitor a. b¨m ¸p nèi tiÕp, b. b¨m ¸p song song.

C¸c s¬ ®å b¨m ¸p mét chiÒu thùc tÕ thêng gÆp lµ lo¹i b¨m ¸p nèi tiÕp, Trong phÇn nµy ®i s©u giíi thiÖu vÒ lo¹i b¨m ¸p nèi tiÕp. 1. Lùa chän lo¹i van ®éng lùc. Trªn thÞ trêng ngµy nay cã ba lo¹i Tranzitor nh giíi thiÖu trªn h×nh 2.14 T M§K a

T Zd

M§K b

T Zd

Zd

M§K c

H×nh 2.14 S¬ ®å b¨m ¸p nèi tiÕp. a. van ®éng lùc lµ Tranzitor l­ìng cùc, b. van ®éng lùc lµ Tranzitor tr­êng, c. van ®éng lùc lµ Tranzitor IGBT

VÒ nguyªn lÝ ba lo¹i Tranzitor trªn h×nh 2.14 ho¹t ®éng gÇn gièng nhau. Kh¸c nhau cña chóng lµ tæn hao c«ng suÊt, tÇn sè lµm viÖc, c«ng suÊt ®iÒu khiÓn.

145

2. Lùa chän s¬ ®å thiÕt kÕ. Tranzitor lìng cùc nh trªn h×nh 2.14a lµ lo¹i linh kiÖn kinh ®iÓn, th«ng dông, cã u ®iÓm lµ tÇn sè lµm viÖc cao, dßng ®iÖn cña lo¹i linh kiÖn nµy hiÖn nay ®¸ng kÓ (dßng ®iÖn ®Þnh møc tíi 1000A). Tuy vËy tæn hao chuyÓn m¹ch lµm giíi h¹n dßng ®iÖn lµm viÖc. C«ng suÊt ®iÒu khiÓn cña c¸c lo¹i Tranzitor lìng cùc ®¸ng kÓ, ®iÒu nµy lµm t¨ng c«ng suÊt m¹ch ®iÒu khiÓn. Ngay c¶ viÖc sö dông s¬ ®å darlingtoon nhiÒu khi còng cha ®îc coi lµ hîp lÝ (lóc ®ã darlingtoon nhiÒu tÇng lµm t¨ng sai sè). Kh¾c phôc nhîc ®iÓm vÒ c«ng suÊt ®iÒu khiÓn cña Tranzitor lìng cùc Tranzitor trêng ®îc sö dông (h×nh 2.14b). Sö dông Tranzitor trêng trong c¸c bé chuyÓn m¹ch nh b¨m ¸p lµ rÊt hiÖu qña. Tuy nhiªn lo¹i van nµy hiÖn nay ®îc chÕ t¹o víi dßng ®iÖn kh«ng lín b»ng Tranzitor lìng cùc. Phèi hîp c¸c u ®iÓm cña hai lo¹i Tranzitor lìng cùc vµ trêng ë trªn, IGBT ®îc sö dông h×nh 2.14c. Nh÷ng n¨m gÇn ®©y, lo¹i linh kiÖn nµy ®îc chÕ t¹o cã c«ng suÊt kh¸ lín. VÝ dô lo¹i IMBI800PN-180 cã I = 800A, U = 1800V. Ngoµi ra lo¹i linh kiÖn nµy cßn ®îc chÕ t¹o tÝch hîp nhiÒu linh kiÖn trong mét vá (xem phô lôc p4).

146