CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA 1.Giới thiệu bộ điều áp xoay chiều. Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều gọi tắt là điều áp xoay chiều thực hiện biến đổi điện áp xoay chiều về độ lớn và dạng sóng nhưng tần số không thay đổi. Các bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng để biến đổi điện áp hiệu dụng đặt lên tải. Nguyên lý của bộ biến đổi này là dùng các phần tử van bán dẫn nối tải với nguồn trong một khoảng thời gian t1 rồi lại cắt đi trong một khoảng thời gian t0 theo một chu kỳ lặp lại T.
Bằng cách thay đổi độ rộng của t1 hay t0 trong khoảng T ta thay đổi được giá trị điện áp trung bình ra trên tải. Nguyên lý này có ưu điểm là điều chỉnh điện áp ra trong một phạm vi rộng và vô cấp, hiệu suất cao vì tổn thất trên các phân tử điện tử công suất rất nhỏ. Điều áp xoay chiều thường được sử dụng trong điều khiển chiếu sáng, đốt nóng, trong khởi động mềm và điều chỉnh tốc độ quạt gió hoặc máy bơm nước. Phân loại: Dựa vào số pha nguồn cấp mà ta có các bộ điều chỉnh điện áp khác nhau là: +, Điều áp xoay chiều một pha +, Điều áp xoay chiều ba pha.Bộ điều áp xoay chiều một pha Z f T BB§ U U 1 U2 i Z 1 i Z U2 U 1 i Z U2 a b C GVHD: Nguyễn Ngọc Minh SVTH: Hoàng Chung Anh Phạm Văn Dương Page 10 Trường ĐHSPKT Hưng Yên ĐỒ ÁN MÔN HỌC Hình 1.1: Các phương pháp điều áp xoay chiều một pha Hình 1.
Là điều áp xoay chiều điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện kháng hay điện trở phụ (tổng trở phụ ) biến thiên. Sơ đồ mạch điều chỉnh này đơn giản dễ thực hiện. Tuy nhiên, mạch điều chỉnh kinh điển này hiện nay ít được dùng, do hiệu suất thấp (nếu Zf là điện trở ) hay cos thấp(nếu Zf là điện cảm ). Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có ưu điểm là có thể điều chỉnh điện áp U2 từ 0 đến trị số bất kì, lớn hay nhỏ hơn điện áp vào.
Nếu cần điện áp ra có điều chỉnh, mà vùng điều chỉnh có thể lớn hơn điện áp vào, thì phương án phải dùng biến áp là tất yếu. Tuy nhiên, khi dòng tải lớn, sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh, khó đạt được yêu cầu như mong muốn, đặc biệt là không điều chỉnh liên tục được, do chổi than khó chế tạo để có thể chỉ tiếp xúc trên một vòng dây của biến áp. Hai giải pháp điều áp xoay chiều trên có chung ưu điểm là điện áp hình sin, đơn giản. Có chung nhược điểm là quán tính điều chỉnh chậm và không điều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn.
Sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoay chiều, có thể khắc phục được những nhược điểm vừa nêu. Các sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn trên Hình 1.c được sử dụng phổ biến. Lựa chọn sơ đồ nào trong các sơ đồ trên tuỳ thuộc dòng điện, điện áp tải và khả năng cung GVHD: Nguyễn Ngọc Minh SVTH: Hoàng Chung Anh Phạm Văn Dương Page 11 Trường ĐHSPKT Hưng Yên ĐỒ ÁN MÔN HỌC cấp các linh kiệnT1bán dẫn.2: Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng van bán dẫn a. bằng hai thiristor song song ngược; b.
bằng một thiristor một diod; d. bằng bốn diod một thiristor Sơ đồ Hình 1.a: Thường được sử dụng rộng rãi hơn, do có thể điều khiển được với mọi công suất tải. Hiện nay Thiristor được chế tạo có dòng điện đến 7000A, thì việc điều khiển xoay chiều đến hàng chục nghìn ampe theo sơ đồ này là hoàn toàn đáp ứng được. Tuy nhiên, việc điều khiển hai thiristor song song ngược đôi khi có chất lượng điều khiển không tốt lắm, đặc biệt là khi cần điều khiển đối xứng điện áp, nhất là khi cung cấp cho tải đòi hỏi thành phần điện áp đối xứng (chẳng hạn như biến áp hay động cơ xoay chiều).
Khả năng mất đối xứng điện áp tải khi điều khiển là do linh kiện mạch điều khiển thiristor gây nên sai số. Điện áp tải thu được gây mất đối xứng. GVHD: Nguyễn Ngọc Minh SVTH: Hoàng Chung Anh Phạm Văn Dương Page 12 Trường ĐHSPKT Hưng Yên ĐỒ ÁN MÔN HỌC Điện áp và dòng điện không đối xứng như Hình 1.b cung cấp cho tải, sẽ làm cho tải có thành phần dòng điện một chiều, các cuộn dây bị bão hoà, phát nóng và bị cháy.Vì vậy việc định kì kiểm tra, hiệu chỉnh lại mạch là việc nên thường xuyên làm đối với sơ đồ mạch này.Tuy vậy, đối với dòng điện tải lớn thì đây là sơ đồ tối ưu hơn cả cho việc lựa chọn. U U Tải t a U U Tải 2 t 1 b Hình 1.
Hình dạng đường cong điện áp điều khiển Sơ đồ Hình 1.b : Để khắc phục nhược điểm vừa nêu về việc ghép hai tiristor song song ngược, triac ra đời. Sơ đồ này có ưu điểm là các đường cong điện áp ra gần như mong muốn như Hình 1.a, nó còn có ưu điểm hơn khi lắp ráp. Sơ đồ mạch này hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp.Tuy nhiên triac hiện nay được chế tạo với dòng điện không lớn (I < 400A), nên với những dòng điện tải lớn cần phải ghép song song các triac, lúc đó sẽ phức tạp hơn về lắp ráp và khó điều khiển song song. Những tải có dòng điện trên 400A thì sơ đồ Hình 1.c: Có hai tiristor và hai điốt có thể được dùng chỉ để nối các cực điều khiển đơn giản, sơ đồ này có thể được dùng khi điện áp nguồn cấp lớn (cần phân bổ điện áp trên các van, đơn thuần như việc mắc nối tiếp các van).
GVHD: Nguyễn Ngọc Minh SVTH: Hoàng Chung Anh Phạm Văn Dương Page 13 Trường ĐHSPKT Hưng Yên ĐỒ ÁN MÔN HỌC Sơ đồ Hình 1.d: Trước đây thường được dùng, khi cần điều khiển đối xứng điện áp trên tải, vì ở đây chỉ có một tiristor một mạch điều khiển nên việc điều khiển đối xứng điện áp dễ dàng hơn.Số lượng thyristor ít hơn, có thể sẽ có ưu điểm hơn khi van điều khiển còn hiếm. Tuy nhiên, việc điều khiển theo sơ đồ này dẫn đến tổn hao trên các van bán dẫn lớn, làm hiệu suất của hệ thống điều khiển thấp. Ngoài ra, tổn hao năng lượng nhiệt lớn làm cho hệ thống làm mát khó khăn hơn. Trong các bộ điều áp xoay chiều , các linh kiện điện tử công suất làm việc ở chế độ dẫn – khóa theo chu kỳ của điện áp nguồn.
Sự chuyển mạch từ dẫn sang khóa một cách tự nhiên tùy theo dấu của các linh kiện.3 Giới thiệu về linh kiện bán dẫn Triac. Thyristor chỉ làm việc ở một trong hai nửa chu kỳ của điện áp xoay chiều, do đó nếu ta nối song song ngược hai thyristor như Hình 1.4 thì có thể giải quyết được sự làm việc trong cả hai nửa chu kỳ của điện áp xoay chiều.4 Triac GVHD: Nguyễn Ngọc Minh SVTH: Hoàng Chung Anh Phạm Văn Dương Page 14 Trường ĐHSPKT Hưng Yên ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1.Cấu tạo và ký hiệu Hình 1.5: Cấu tạo và ký hiệu của triac. Triac là linh kiện bán dẫn tương tự như hai Thyristor mắc song song ngược nhưng chỉ có một cực điều khiển.Triac là thiết bị bán dẫn ba cực bốn lớp.Có thể điều khiển cho mở dần dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực điều khiển )lẫn xung âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển ).Tuy nhiên xung có dòng điện điều khiển âm có độ nhạy kém hơn nghĩa là mở Triac sẽ cần một dòng điện âm lớn hơn so với dòng điều khiển dương.Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòng điện qua Triac thì sử dụng dòng điều khiển dương là tốt hơn cả.Nguyên lý hoạt động. Có 4 tổ hợp điện thế có thể mởTriac cho dòng chảy qua : B2 G + + + - - - - + GVHD: Nguyễn Ngọc Minh SVTH: Hoàng Chung Anh Phạm Văn Dương Page 15 Trường ĐHSPKT Hưng Yên ĐỒ ÁN MÔN HỌC Trường hợp MT2 (+), G(+).
Thyristor T mở cho dòng chảy qua như một Thyristor thông thường Trường hợp T2 (-), G(-).Các điện tử từ N2 phóng vào P2. Phần lớn bị trường nội tại EE1 hút vào , điện áp ngoài được đặt lên J2 khiến cho Barie này cao đến mức hút vào những điện tích thiểu số (các điện từ của P1) và làm động năng đủ của chúng đủ lớn để bẻ gãy các liên kết của các nguyên tử Silic trong vùng.Kết quả là một phần phản ứng dây chuyển thì T- ’ mở cho dòng chảy qua. Đặc tuyến V-A của triac Hình 1.6: Đặc tuyến V-A của triac Hình 1.6 trình bày đặc tính I T = f(V T ) của triac khi chưa sử dụng cực điều khiển. Khi V T dương tổ hợp N 1 P 1 N 2 P 2 hoạt động như Thyristor thứ nhất, nó sẽ dẫn khi điện áp V T đạt tới điên áp V BO của chuyển tiếp P 2 N phân cực ngược.khiV T âm tổ hợp N 4 P 2 N 2 P1 hoạt động như Thyristor thứ hai, nó sẽ dẫn khi điện áp – V T đạt tới giá trị điện áp – V BO của chuyển tiếp N 2 P1 phân cực ngược.
Kích tạp các vùng P1 và P2 như nhau, điên áp V BOtheo chiều thuận và ngược bằng nhau, nhưng do sự không đối xứng của cấu trúc dòng điện duy trì I H (+ ) với V T dương hơn dòng I H ( - )với V T âm nhiều. Trị số trung bình, hiệu dụng hay quá tải về dòng điện và điện áp được ký hiệu như đối với Thyristor. GVHD: Nguyễn Ngọc Minh SVTH: Hoàng Chung Anh Phạm Văn Dương Page 16 Trường ĐHSPKT Hưng Yên ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1. Điều áp xoay chiều một pha ứng với các loại tải Hai tiristor đấu song song ngược cho phép điều chỉnh dòng điện xoay chiều.Vì anôt T1 nối với catot T2 và anôt T2 nối với catôt T1 nên trong mạch điều khiển nhất thiết phải dùng một biến áp xung có hai cuộn dây thứ cấp cách li với nhau.
Các điôt dùng để khoá chặt các xung âm Giả thiết điện áp nguồn : U = √ 2 Vsinωt 1. Trường hợp tải thuần trở Khi T1 mở thì một phần của nửa chu kỳ dương điện áp nguồn điện đặt lên mạch tải, còn khi T2 mở thì một phần của nửa chu kỳ âm của V được đặt lên mạch tải. Góc mở π được tính từ điểm đi qua giá trị 0 của điện áp nguồn V.