Chương III

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU KHIỂN PHA

Chỉnh lưu, là BBĐ điện xoay chiều ra một chiều, đã xuất hiện từ lâu, bắt đầu là các sơ đồ
sử dụng đèn hai cực, các diod oxit kim loại rồi đến các linh kiện bán dẫn. Ngày nay các bộ chỉnh
lưu còn rất phổ biến, khi mà điện năng được phân phối ở dạng áp xoay chiều trong khi rất nhiều
tải sử dụng điện một chiều. Từ khi xuất hiện các linh kiện chỉnh lưu có điều khiển (thyratron hay
SCR), ta có điều khiển pha là phương pháp thay đổi điện áp ngỏ ra bằng cách cung cấp cho tải
một phần của chu kỳ hình sin.
Vì thế, chương III dành cho khảo sát các bộ biến đổi sử dụng nguyên lý điều khiển pha, là
các sơ đồ có ngỏ vào là điện lưới xoay chiều, sử dụng điều khiển pha để thay đổi áp ngỏ ra, bao
gồm các bộ chỉnh lưu điều khiển pha và bộ biến đổi áp xoay chiều. Bộ chỉnh lưu dùng diod được
xem là trường hợp riêng của chỉnh lưu điều khiển pha, khi áp ra là không đổi, ứng với góc điểu
khiển pha bằng 0.
III.1 CHỈNH LƯU DIOD (KHÔNG ĐIỀU KHIỂN):
Như ta sẽ nhận xét, chỉnh lưu diod là trường hợp riêng của các sơ đồ chỉnh lưu điều khiển
pha. Vì vậy, trong mục này ta chỉ khảo sát các bộ chỉnh lưu diod một pha như một sự mở đầu.
Như đã giới thiệu trong chương 1, thông số đặc trưng (và mong muốn) của điện áp ngỏ ra
bộ chỉnh lưu là giá trò trung bình, là thành phần một chiều của điện áp này. Giá trò hiệu dụng chỉ
được chú ý khi ta quan tâm đến sự phát nhiệt của điện trở và các tính toán sóng hài bậc cao dùng
để đánh giá mức độ không lý tưởng của dạng điện áp.
Các sơ đồ chỉnh lưu được phân loại theo số xung của áp ra trong một chu kỳ lưới.
1. Khảo sát chỉnh lưu hai xung: Còn được gọi là chỉnh lưu toàn sóng hay hai nữa chu kỳ,
bao gồm sơ đồ cầu một pha và sơ đồ một pha có điểm giữa.
a. Hoạt động ở tải R:
iS
io

uo


1 2π
1 π
2 2
2U sin wt ⋅ dwt =
U o = ∫ uo dt =
u
dt
=
U <III.1.2 >
o
∫
∫
0
0
T
π
π
2π
T
Với tải trở, ta có quan hệ uo = io .R với io là dòng ngỏ ra => io = uo/R
suy ra dòng, áp ngỏ ra có cùng dạng và trung bình dòng ngỏ ra Io = Uo/R <III.1.3 >
¾ Trò hiệu dụng dòng tải :
2

U
⎛u⎞
<III.1.4 >
.dwt =
⎜
⎟


1

π

U2
=
giống như nối trực tiếp vào lưới điện,
R

tương ứng hệ số công suất của BBĐ bằng 1.
Nếu ta lấy công suất một chiều PDC làm công suất hữu dụng thì PDC = U O .IO < Po . Lúc
này ta đã bỏ qua tác dụng nhiệt của các sóng hài điện áp ngỏ ra.

Áp khóa cực đại trên diod:
Để chọn đònh mức áp cho các diod, ta cần xác đònh điện áp khóa cực đại mà diod có thể
phải chòu khi làm việc. Xét các diod nối chung anod (hay catod), khi một diod trong nhóm dẫn
điện, các diod còn lại trong nhóm sẽ bò đặt vào điện áp dây giữa pha của diod đang dẫn và pha
của chính nó.
Trong trường hợp sơ đồ cầu, khi D1 dẫn, D2 bò phân cực ngược bằng áp lưới, vậy áp
ngược cực đại của diod sẽ là trò số đỉnh áp lưới U 2 .
Với sơ đồ biến áp có điểm giữa (hình III.1.1.b), biến áp có hai cuộn thứ cấp đảo pha, áp
ngược đặt vào chỉnh lưu tăng gấp đôi. Thật vậy, khi D1 dẫn, áp đặt vào D2 là:

uD2 = − e − e = − 2.e (qui ước áp trên SCR hay Diod luôn tính từ A qua K).
GHi NHỚ - Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ đổi hướng (nắn) dòng nguồn xoay chiều thành
dòng một chiều qua tải, suy ra ở mạch một pha, hiệu dụng dòng nguồn và tải
có cùng trò số.

b. Hoạt động ở tải RL:

2U
−π
sin (π − φ ) + I1e ωτ = I1 <III.1.5>
io =
Z

Hình III.1.2 (a) áp dòng chỉnh lưu hai xung tải RL

(b) dạng dòng trong chu kỳ tựa xác lập

Giải phương trình này, ta được I1 và biểu thức cho dạng dòng ra io . Biểu thức này tương
đối phức tạp và tích phân để tính trò trung bình dòng qua tải I o =

1 π i .dwt
π 0 o

∫

là không dễ dàng.

Trong thực tế, người ta thường chỉ tính giá trò trung bình dòng ra bằng nguyên lý xếp chồng khi
chỉ xét tác dụng của thành phần một chiều của áp :

IO = UO/R , có dạng <III.1.3> vì L không có tác dụng đối với thành phần một chiều
của điện áp.
Giống như đã phân tích trong phần tính giá trò trung bình, việc tính hiệu dụng dòng tải và
nguồn sẽ tốn khá nhiều công sức, có thể tích phân trực tiếp hay dùng nguyên lý xếp chồng.
Trong thực tế, người ta chỉ xét trường hợp L vô cùng lớn để độ nhấp nhô dòng tải không đáng kể
(trường hợp dòng phẳng) như ở những mục tiếp theo.


Dòng qua nguồn i

Io

Io
Hình BT III.1.1 Khảo sát chỉnh lưu 2 xung tải dòng phẳng,

- Hiệu dụng dòng tải IR, nguồn INR
liên tục
cũng là IO , công suất biểu kiến S = U.IO
2 2
- Vậy HSCS =

π

QUAN SÁT - cuộn dây nối tiếp mạch tải có thể làm cho dòng tải phẳng hơn nên nó
thường được gọi là cuộn kháng san bằng.
chuong 3 chinh luuA.doc

Page 3 of 55


c. Hoạt động ở tải RE: ( hình III.1.3 )
Ngược lại với tải RL có khuynh hướng kéo dài xung dòng điện, tải có sức phản điện làm
cho xung dòng thu hẹp. Thật vậy, từ sơ đồ mạch điện hình III.1.3 có thể nhận xét là các diod chỉ
dẫn điện được khi áp nguồn u lớn hơn sức phản điện E của tải. Gọi δ là góc để diod bắt đầu dẫn
điện:
Khi wt = δ thì u = E ⇔ E = 2U .sin δ ⇒ δ = sin −1 ( E U 2 ) <III.1.6>

Khi diod dẫn điện, uo = u = R.io + E ⇒ io = ( u − E ) / R với u = 2U sin wt . Dạng dòng là

2U .sin wt.dwt + ∫

π −δ

Để tính toán công suất phát nhiệt của điện trở R cần tính toán giá trò hiệu dụng IOR của
dòng điện ngỏ ra iO: IOR =

1

π

∫

π

0

io2 .dwt =

1

π

π −δ

∫δ (

u− E

R

=C
<III.1.7> , với u = U 2 sin wt
dt
dt

với u là áp nguồn hình sin, và iin có thể có giá trò rất lớn phụ thuộc vào giá trò C và
du/dt lúc đó. Dòng iin giảm về không và tụ điện sẽ cung cấp năng lượng cho tải khi áp nguồn
chỉnh lưu thấp hơn áp trên tụ u < uC .
Theo III.1.7, khi nối trực tiếp tụ điện ở ngỏ ra chỉnh lưu thì dòng nạp tụ iin có dạng xung
với biên độ có thể rất lớn làm hỏng diod, gây sụt áp lưới điện. Điều này có thể hạn chế bằng một
trong các phương pháp sau (hình III.1.5):
- Khi chỉnh lưu sử dụng biến áp giảm áp công suất bé, tổng trở trong của biến áp đủ để
hạn dòng, không cần phần tử phụ khác (a).
- Mạch lọc dùng LC thay vì C (b). Tự cảm ngoài tác dụng hạn dòng nạp tụ còn góp phần
vào làm phẳng áp ngỏ ra, cải thiện dạng dòng ngỏ vào, được dùng khi cần chất lượng cao.
- Ở chỉnh lưu trực tiếp từ lưới một pha công suất nhỏ, người ta hạn dòng qua nguồn và
diod bằng một điện trở hay tốt hơn, bằng một varistor có điện trở tăng rất nhanh theo sự tăng của
dòng qua nó (c).
- Ở chỉnh lưu trực tiếp từ lưới công suất trung bình hay lớn, thay vì dùng tự cảm hạn dòng
nạp tụ, người ta nối tiếp một điện trở có trò số lớn nhưng công suất bé lúc khởi đầu, sau đó sẽ
ngắn mạch lại bằng khóa K trước khi cho mạch hoạt động (d). Phương pháp này kinh tế hơn sử
dụng cuộn dây.
VARISTOR

v

v
T
C



Hình III.1.5: Các sơ đồ thực tế

Phương trình mạch điện khi có R hạn dòng là:
uC = R(−iC ) = − R C

duC
dt

K

v

i in

R

với giá trò ban đầu áp trên tụ là trò cực đại uC = uCmax.
C

Khi C có giá trò lớn, vC xem như tăng, giảm theo
đường thẳng như dạng sóng hình III.1.6a.

v
C

R

(d)


GHi NHỚ

Khi bộ nguồn làm việc không tải, trò trung bình áp ngỏ ra tiến đến giá trò đỉnh
của hình sin chỉnh lưu U 2 . Khi tải đònh mức, trò trung bình VC có thể bé hơn
giá trò tính theo <III.1.9> do sụt áp trên tổng trở trong của nguồn.

3. Tính toán điện áp bộ cấp điện tuyến tính:

Để cung cấp nguồn một chiều cho các mạch đo lường và điều khiển, người ta cần áp một
chiều phẳng có giá trò không đổi. Có thể sử dụng các bộ nguồn xung (chương IV) với nhiều ưu
điểm hay đơn giản hơn, dùng chỉnh lưu diod có lọc tụ điện ngỏ ra và mạch ổn áp tuyến tính.
Hình III.1.8 cho ta sơ đồ bộ cấp điện một chiều ±Vo có ổn áp tuyến tính dùng vi mạch họ
LM78xx (áp ra dương) và LM79xx (áp ra âm). Lưu ý vi mạch ổn áp cần được tản nhiệt khi dòng tải
> 0.1A và ở ngỏ ra nên có tụ hóa (C2 ≈ 100 uF) và tụ không cực tính (C3 ≈ 0.1 uF) để chống dao
động và đảm bảo tải không bò nhiễu khi làm việc ở chế độ xung.
78xx
e
C1

v
-e

C1

C2

79xx

C2


= 1.14 volt. Sử dụng diod
C
2200i10−6
cầu, ΔUD = 2volt, lấy ΔU = 3 suy ra U 2 ≥ 5 + 2 + 3 + 1.14 = 11.14 volt hay U ≥ 8 volt, chọn áp thứ
cấp biến áp bằng 9VAC để có dự trữ .
Dùng tụ lọc có điện dung 2200uF => ΔVC =

LƯU Ý - Để bộ ổn áp làm việc tốt, cần đảm bảo sụt áp tối thiểu qua vi mạch ổn áp
ΔU (khoảng 3 volt). Hiện nay có họ vi mạch ổn áp với ΔU rất thấp, cho phép
tạo ra nguồn ổn áp 3.3V từ nguồn 5 volt (ví dụ LM1117).
QUAN SÁT Khi áp ra bò sụt theo tải, việc tăng điện dung tụ điện lọc nguồn (khi đã có trò
số khá lớn) thường không hiệu quả vì làm tăng sụt áp nguồn. Biện pháp có
thể dùng là tăng áp thứ cấp hay và/hay tăng công suất biến áp nguồn.
4. Bộ chỉnh lưu nhiều xung dùng diod:

Ở công suât lớn, ta sử dụng nguồn nhiều pha và bộ chỉnh lưu nhiều diod. Dạng áp ra sẽ
gồm nhiều xung hơn trong một chu kỳ lưới, tương ứng với khoảng dẫn của các diod. Như vậy,
dạng áp ra sẽ phẳng hơn và gần với nguồn một chiều lý tưởng hơn các bộ chỉnh lưu một pha.
III.2 THYRISTOR: NGẮT ĐIỆN LÀM VIỆC VỚI NGUỒN XOAY CHIỀU:
1. Sự làm việc của thyristor với nguồn xoay chiều:

Lập mạch điện thí nghiệm như hình III.2.1.
u là áp nguồn hình sin, bộ điều khiển có tác động
ON – OFF: cung cấp dòng cực cổng IG đủ lớn để
kích khởi được triac khi ON và bằng không khi
OFF. Kết quả nhận được (hình III.2.2.a):
- Khi bộ điều khiển ON: triac dẫn điện
ngay vì nó có thể dẫn dòng theo hai cực tính.
Dòng qua tải R có cùng dạng áp nguồn vì ta có III.2.1 Mạch TRIAC và nguồn xoay chiều, tải R.
R.io = uo = u.

Góc điều khiển pha (ĐKP) α được tính từ vò trí gốc (còn gọi là vò trí α = 0) gọi là góc
chuyển mạch tự nhiên hay không có điều khiển. Góc chuyển mạch tự nhiên này là điểm thyristor
bắt đầu dẫn điện khi ta cung cấp dòng cực cổng liên tục, tương ứng với trường hợp thay thế
thyristor bằng diode) và tải mạch điện là thuần trở. Có thể dể dàng thấy là khi α = 0, áp ra sẽ cực
đại. Một thông số khác của sơ đồ điều khiển là bề rộng xung kích thyristor phải được chọn thích
hợp để có phạm vi thay đổi góc ĐKP rộng nhất, từ giá trò áp ra tối thiểu (thường bằng 0) tương
ứng α = αMAX đến áp ra cực đại α = 0 ở tải thuần trở.
2. Khảo sát chỉnh lưu 1 SCR điều khiển pha:

Chỉnh lưu 1 SCR ít thông dụng nhưng việc khảo sát chỉnh lưu 1 SCR lại có ý nghiã rất lớn
vì nó chính là cơ sở cho lý luận và tính toán các sơ đồ phức tạp hơn sau này. Cùng với việc sử
dụng SCR, ta làm quen với sơ đồ phát xung điều khiển các ngắt điện, là giản đồ thời gian trong đó
luật điều khiển ngắt điện thể hiện bằng logic hai trạng thái:

ON (hay 1 hay High): cho phép ngắt điện hoạt động bằng cách cung cấp tin hiệu điều khiển
(dòng cực cổng cho SCR hay dòng cực nền cho BJT) có biên độ đủ lớn .
OFF (hay 0 hay Low): ngưng cung cấp tín hiệu điều khiển, khi đó hoạt động của ngắt điện
chỉ còn phụ thuộc vào đặc tính hệ thống lúc đó.
Với cùng mạch động lực, hoạt động của các BBĐ có thể thay đổi theo sơ đồ điều khiển.
a. Khảo sát với tải R:
Tín hiệu điều khiển SCR T1 là dòng iG có tần số lưới điện, lệnh pha góc α (hình III.2.3.b).
ở wt = 0 SCR T được phân cực thuận nhưng chưa dẫn điện vì chưa được kích cho đến wt
= α, SCR dẫn điện:
áp ra uo = u = R.io => dòng tải io cùng dạng hình sin với áp nguồn.
vâïy io = 0 ở cuối bán kỳ và SCR tắt cho đến khi được kích ở chu kỳ kế.
chuong 3 chinh luuA.doc

Page 8 of 55




wt

γ=π−α

wt

Hình III.2.3: Mạch điện (a) và dạng dòng áp
chỉnh lưu 1 SCR (b)

2π wt

π

u
U2

Trò trung bình áp ra:
1
2π

UO =

∫

2π

0

T1

U oR = U

∫

2π

0

1
2π

uo2 .dwt =

1
2π

π

∫α u .dwt =
2
o

π

∫α (1 − cos 2wt).dwt = U

1
2π

1

GHI NHỚ - Khi điều khiển pha, SCR dẫn điện chậm đi so với diod ở cùng vò trí, nhờ vậy
ta có thể điều khiển (giảm) áp ngỏ ra.

- Với tải R, áp và dòng tải có cùng dạng.
b. Khảo sát với tải RL:
Khảo sát tương tự trường hợp R.
Tải RL có thông số: tổng trở tải Z =

R 2 + (ωL) và góc pha φ = tg −1
2

wL
R

Ở wt = α : SCR được kích, nó dẫn điện vì đang phân cực thuận, phương trình mạch điện
lúc này: uo = uR + uL = u hay
di
uo = R.io + L o = u = U 2 sin wt
dt
với điều kiện đầu là khi wt = α , io = 0

chuong 3 chinh luuA.doc

Page 9 of 55


i
o

T1


io2 = Ae

−t

τ với thời hằng τ = L

R

, Hằng số

tích phân A xác đònh từ điều kiện ban đầu
−α
U 2
sin(α − φ ) + Ae ω ⋅τ
suy ra biểu
0=
Z
Hình III.2.7: Phân tích các thành phấn áp
thức dòng điện ngỏ ra iO như sau:
ngỏ ra.
− (ω t −α )
U 2⎡
ω ⋅τ ⎤
<III.2.3 >
−
−
−
⋅
sin(

<III.2.4* >

γ : bề rộng xung điện áp ngỏ ra (trong trường hợp này cũng là góc dẫn của SCR). Phương
trình <III.2.4*> chỉ có thể giải bằng phương pháp số. Phụ lục III.1 trình bày cách dùng công cụ
GOAL SEEK của Excel để giải <III.2.4* >.
Từ hình III.2.7, có thể nhận xét góc dẫn γ > π − α: dòng qua SCR tăng lên từ giá trò
không và chỉ bằng không khi đã qua bán kỳ âm. Hiện tượng này có thể giải thích bằng đặc tính
của tự cảm L là chống lại sự thay đổi của dòng điện qua nó. Khi thyristor bắt đầu dẫn, dòng qua
di
mạch tăng lên từ giá trò không. Khi đó uL = L o > 0 , L được nạp năng lượng và sụt áp qua R bé
dt
chuong 3 chinh luuA.doc

Page 10 of 55


hơn áp nguồn. Khi áp nguồn u giảm, iO giảm và uL < 0 , L được xả năng lượng làm tăng hiệu thế
qua R, cho phép dòng qua nó vẫn còn khi áp nguồøn đã âm. uL là phần diện tích gạch sọc thẳng
đứng trên, uR là phần có chấm ở hình III.2.7.
Có góc dẫn γ, ta tính được:
Trò trung bình dòng IO :
Io =

1 U 2
2π Z

α +γ

∫
α

α

1
(i )2 dt =
T T o

1
2π

∫

α+γ

2
∫ (io ) dwt

α

2

⎡sin(ω t − φ ) − sin(α − φ ) ⋅ e− (ω t−α ) ω ⋅τ ⎤ dwt < III.2.6>
⎢⎣
⎥⎦

Hai tích phân này có thể thực hiện được nhưng kết quả không đặc sắc, có thể xem như
một bài tập.
GHI NHỚ - Khi tải có tự cảm, điện áp cảm ứng của nó có thể giúp cho SCR tiếp tục
dẫn điện khi áp nguồn âm.

- Trò trung bình áp ngỏ ra tải R tính theo công thức <III.2.5>, giảm khi tải có


D

u

L

v
o

Hình III.2.8: Chỉnh lưu 1 SCR có diod
phóng điện

vậy, áp rơi qua tự cảm L = L.di/dt sẽ rất lớn khi dòng qua nó thay đổi đột ngột (tương ứng với
di/dt tăng lên rất cao). Diod phóng điện Df có nhiệm vụ khép kín mạch, tạo đường phóng điện
cho cuộn dây rơle khi khóa K mở ra.
Tác dụng thứ hai của diod phóng điện là làm cho dòng qua cuộn dây liên tục và ít nhấp
nhô hơn. Trong các sơ đồ chỉnh lưu, diod phóng điện D sẽ làm cho áp ngỏ ra không thể âm (hình
III.2.9b). Dòng phóng qua Dfù có dạng hàm mũ, giảm về không chậm hơn trường hợp không có
nó.
III.3 ĐIỀU KHIỂN PHA ÁP XOAY CHIỀU:
1. Khảo sát sơ đồ một pha:

Khi thay thế SCR trong hình III.3.5 bằng triac hay hai SCR song song ngược, dòng tải có
thể đão chiều, ta có BBĐ áp xoay chiều, sơ đồ một pha (hình III.3.1). Dạng xung điều khiển
cũng có thay đổi: xung rộng thay cho xung hẹp và có ở hai bán kỳ.
a. Tải điện trở:
Mạch hoạt động giống như trường hợp
chỉnh lưu một SCR (mục III.2.2.a) nhưng triac là
linh kiện dẫn điện 2 hai chiều.


wt

uo
π

Hình III.3.1: BBĐ áp xoay chiều một pha dùng triac.

2π wt

uT

Tại wt = 0, đóng nguồn. T không dẫn nên dòng tải iO = 0
=> áp ra vO = 0, áp trên TRIAC

uT = u – uO = u > 0. Triac phân cực thuận.

Tại wt = α , có dòng kích iG và uT > 0 => T dẫn điện, ta có:

uT = 0, uO = u => iO = u/R có dạng hình sin như điện áp.
Tại wt = π , uO = 0, iO = 0 => T tắt .
Trong bán kỳ âm, dạng áp dòng được lập lai, nhưng với giá trò ngược lại.
- Trò hiệu dụng áp trên tải:
chuong 3 chinh luuA.doc

Page 12 of 55


U OR =


U
U 1
IOR = OR =
(π − α + 12 sin 2α ) <III.3.2 >
R
R π
- Công suất:
2
2
U OR )
(
1
1 ( uo )
PO = ∫ uo ⋅ io dt = ∫
dt =
<III.3.3 >
T T
T T R
R
Biểu thức này vẫn giống như trường hợp nguồn hình sin vì do tải thuần trở, dạng dòng áp
trên tải vẫn giống nhau.
- HSCS của mạch nhỏ hơn 1 do dòng qua nguồn không hình sin.

Bài tập: Tìm biểu thức tổng quát của HSCS khi điều khiển pha áp AC tải R.
Giải: S = U*IOR PO = R*(IOR)2=(UOR)2/R
HSCS chỉ bằng 1 khi α = 0.

=> HSCS = PO / S =UOR / U.

Ví dụ: Tìm góc ĐKP α để công suất ra bằng ½ công suất cực đại (khi đóng trực tiếp vào

có trường hợp chỉnh lưu 1 SCR mục III.2.1,
ta có dạng dòng áp tải RL làm việc với
BBĐ áp xoay chiều trên hình III.3.2.
Dòng tải tăng từ zero khi triac được
kích và kéo dài qua phần áp nguồn đão
cực tính: bề rộng xung dòng γ > π − α là
nghiệm của phương trình <III.2.4*>

sin( α + γ − φ ) = sin( α − φ ) ⋅ e

−γ

u

uo

io

2

0
α

γ

Hình III.3.2: Dạng dòng áp tải RL làm việc với BBĐ áp
xoay chiều.

ω⋅ τ


1

π

∫
α

(U 2 sin ω t) 2 dω t

<III.3.3>

(γ + 12 [sin 2α − sin 2(α + γ )])

Biểu thức tính trò hiệu dụng dòng ra có dạng rất phức tạp vì iO có cả hàm sin và hàm mũ,
không tiện tính toán bằng giải tích. Trong phụ lục ở cuối chương, phương pháp tính toán bề rộng
xung dòng (hay góc dẫn điện của SCR) γ, các đặc trưng của dòng điện trong bộ biến đổi điều
khiển pha bằng đồ thò được trình bày.

Các nhận xét:
* Áp ra bằng không khi α = αMAX = 180 O.
* Góc α tối thiểu với tải RL ( phạm vi điều chỉnh góc điều khiển pha tải RL ) bằng φ.
Thực vậy, khi α giảm, góc dẫn γ tăng. Khi γ = 180 O , xung dòng bán kỳ dương nối liền xung
dòng của bán kỳ âm (dòng điện là liên tục), áp ra uO đạt cực đại và bằng áp vào u. với áp đặt
vào là hình sin, dòng ra hình sin và lệch với áp góc φ là góc tải RL. Vậy góc điều khiển pha cực
tiểu để còn điều khiển được áp ra là góc φ tải. Có thể thế vào <III.2.4*> để kiểm tra.
Khi kích các thyristor với xung có α < φ, áp ra không thay đổi. Ta nói là hệ thống không
còn điều khiển được khi α < φ.
* Yêu cầu kích xung rộng: Khi điều khiển pha áp xoay chiều, xung kích các thyristor cần
là xung rộng để đảm bảo mạch làm việc bình thường khi α < φ. Đối với sơ đồ một pha, người ta
thường dùng xung có bề rộng (π − α) như trên hình III.3.2).


R
b

SCR5

SCR6

Tả i

SCR3

SCR4

A
C

SCR2

b. Cũng từ hình III.3.5a này, giải thích lý
do vì sao ta cần xung kích các SCR kéo
dài (từ α dến 7π/6 đối với SCR 1)

B

a. Trên hình III.3.5a trình bày áp pha ua,
áp dây uab tải với dạng xung kích các
SCR bằng 120O). Xác đònh khoảng dẫn
của các SCR và ghi chú vào hình vẽ cách
tạo ra hai dạng sóng áp ngỏ ra ua, uab .

Hình III.3.5b: Áp pha tải
ua và áp dây tải uab ở a
= 40O (trường hợp có
lúc 3 SCR làm việc). Áp
pha A được vẽ chồng
lên ua để dễ so sánh

chuong 3 chinh luuA.doc

Page 15 of 55


c. Hình III.3.12b trình bày áp pha ua, áp dây uab tải ở góc điều khiển pha bằng 40O. Tự vẽ các
dạng xung kích SCR, xác đònh khoảng dẫn của các SCR và ghi chú vào hình vẽ cách tạo ra hai
dạng sóng áp ngỏ ra ua, uab .
Hướng dẫn: - Nguyên tắc đầy đủ của điều khiển mạch điện xoay chiều là sẽ có tín hiệu điều khiển
ở những khoãng thời gian mà ngắt điện có thể làm việc. Từ dạng xung điều khiển có thể kiểm tra
phân cực để xác đònh các SCR dẫn điện, vì là tải R nên SCR sẽ tắt khi dòng (áp) tải bằng 0.
- Có ba trường hợp có thể xảy ra: 2 SCR trên 2 pha dẫn điện cung cấp 1 áp dây cho
tải, 3 SCR trên 3 pha làm việc cung cấp nguồn 3 pha cho tải và trường hợp chỉ có 1 SCR có xung
điều khiển được phân cực thuận thì nó cũng không thể làm việc được vì dòng qua tải bằng 0.
4. Ứng dụng:

Trong khảo sát lý thuyết, triac và hai SCR song song ngược có cùng hoạt động nhưng
trong thực tế, việc sử dụng hai linh kiện trên có sự phân biệt rất rõ ràng. Triac được dùng rôïng
rãi trong dân dụng nhưng chỉ dùng cho tải thuần trở hay dòng điện bé (vài chục A) trong công
nghiệp. Khi tải có tính cảm kháng cao (động cơ) hay công suất lớn, sơ đồ hai SCR song song
ngược luôn được sử dụng.

Điều

(b) Sử dụng opto triac để diều khiển ON-OFF

Thyristor thay thế ngắt điện cơ khí để đóng ngắt tải xoay chiều với nhiều ưu điểm, được
gọi là rơ le hay contactor bán dẫn (SSR - solid state relay ).
- Sơ đồ khối của rơ le bán dẫn cho ở hình III.3.6.a: Ngỏ vào của SSL nối bộ điều khiển
TRIAC qua bộ cách ly, trên hình là bộ ghép tín hiệu dùng quang học (optron). Khi diod phát
quang của optron có dòng, transistor ngỏ ra sẽ bảo hòa, tác động lên mạch điều khiển cung cấp
dòng kích cho TRIAC.
Ưu điểm: SSR không tạo ra tia lửa điện khi đóng ngắt, số lần và tần số đóng ngắt cho
phép rất cao, công suất điều khiển rất bé - có thể tác động trực tiếp từ mạch vi điện tử, có thể
tích hợp với các bộ điều khiển điện tử khác để được nhiều tính năng mới.
Nhược điểm: khả năng quá tải kém, hỏng không phục hồi được, nhạy với nhiễu, nhiệt …
Rơ le, contactor bán dẫn thường được dùng thay thế rơ le, contactor cơ khí khi cần số lần
đóng ngắt lớn, mạch cấp điện cho biến áp máy hàn điện trở (hàn tiếp xúc), điều khiển lò điện
hay cần tác động nhanh (như ổn áp xoay chiều hay UPS) …
QUAN SÁT - Opto triac là phần tử điều khiển triac công suất bé (vài kw) rất hiệu quả.

b. BBĐ áp xoay chiều:
BBĐ áp xoay chiều có các đặc điểm chung của các thiết bò bán dẫn công suất. Ưu điểm là
chuong 3 chinh luuA.doc

Page 16 of 55


G

hiệu suất cao, kích thước bé, sẵn sàng cho điều khiển tự động… và nhược điểm là áp ra không lý
kém. Ta có thể dùng BBĐ áp xoay chiều để chỉnh độ sáng đèn có tim, trong các bộ nguồn công
nghiệp và trong điều khiển động cơ.
T1


TRIAC A

T1

R

T5

G

TRIAC B

T2

T1

T3

Tải

T2

T6

TRIAC C

(a) dùng ba sơ đồ một pha
Hình III.3.7: BBĐ áp xoay chiều ba pha



T2

T4

u
o

T1
T2

u

u

u
o

uo
2

0
α

(a)

io

(b)


1

π

π

u ⋅ dwt = ∫ U
π ∫α
π α

2 sin wt ⋅ dwt =>

Uo =

U 2

π

[cos α + 1]

<III.4.1>

Khi α = 0, ta có dạng sóng chỉnh lưu 2 xung dùng diod và <III.4.1> trở về dạng <III.1.2>.
Giá trò tức thời dòng điện tải i o =

uo
R

⇒ trò trung bình dòng tải Io =



2

0

Trường hợp tải RL:
Phương pháp khảo sát giống như trường
hợp tải trở. Ợ wt = α , T1 và T4 sẽ dẫn điện khi
được kích, phương trình vi phân mô tả mạch điện:

uo

io

Khảo sát sơ đồ chỉnh lưu dùng biến áp có
điểm giữa (hình III.4.1.b) cho kết quả tương tự.

α

γ

wt

u

i
G1
i
G2


R
dòng điện iO tăng lên từ không và giảm về không khi áp ra có giá trò âm (hình III.4.3). Bề
rộng xung dòng tải (cũng là góc dẫn của SCR) γ > ( π − α ) , có thể xác đònh theo <III.3.4*> .
Qua bán kỳ âm, hoạt động của mạch diễn ra tương tự: Khi wt = π + α, SCR T2 và T3 dẫn
điện và uO = − u, ta vẫn có xung dòng dương.
Để tính trò trung bình áp ra, ta chỉ cần tích phân trong bán kỳ:
1 2π
1 α +γ
U 2
⎡cos α − cos (α + γ ) ⎤⎦ <III.4.3>
Uo =
u
dwt
u ⋅ dwt =
=
o
∫
∫
α
0
2π
π
π ⎣
như vậy trung bình áp ra phụ thuộc bề rộng xung dòng tải γ, thay đổi theo tải RL. Trò trung
bình và hiệu dụng dòng tải có thể nhận được khi tích phân <III.3.3>trong một nữa chu kỳ. Nhưng
ta cũng có thể dễ dàng tính trò trung bình dòng tải từ trò trung bình áp ra khi áp dụng nguyên lý
xếp chồng, công thức nhận được giống như trường hợp chỉnh lưu diod.
chuong 3 chinh luuA.doc

Page 18 of 55

γ=π
α
từ K sang A. Ta có sự chuyển mạch
dòng tải từ SCR đang dẫn sang SCR
được kích.
2π wt
Vậy khi dòng liên tục, các
SCR cùng catod (hay anod) thay phiên
u
nhau dẫn dòng điện tải, góc dẫn –
T1
trường hợp tổng quát – của 1 SCR là
2π/n ,với n là số SCR nối chung catod
Hình III.4.4: Dạng dòng, áp ra khi dòng tải liên tục
(hay anod). Với sơ đồ chỉnh lưu 2
xung, n = 2 và góc dẫn của SCR cũng là bề rộng xung dòng tải là 2π /m, ( m là số xung).

Kết quả là khi dòng liên tục, dạng áp ra
không phụ thuộc tải, có trò trung bình :
1 α +π
U o = ∫ u ⋅ dwt
Uo =

π

α

1

α +π


u

γ=π

α=φ

in
u

Khi L bằng vô cùng, dòng tải trở nên phẳng, Hình III.4.5: áp dòng BBĐ và nguồn khi α = φ
không còn nhấp nhô. Đây là trường hợp hay được sử dụng để đơn giản bài toán trong khảo sát lý
thuyết các trường hợp phức tạp hay khi thiết kế. Ta gọi điều kiện này là giả thuyết dòng tải liên
tục, phẳng.
Điều kiện để dòng liên tục (hay chế độ biên liên tục) của sơ đồ cầu một pha tải RL:

Như đã khảo sát, ở góc diều khiển pha α đủ lớn, dòng tải gián đoạn. Khi giảm α, bề rộng

chuong 3 chinh luuA.doc

Page 19 of 55


xung dòng ngỏ ra tăng dần cho đến khi vừa bằng π. Đây chính là chế độ biên liên tục, nếu tiếp
tục giảm α, dòng tải trở nên liên tục. Để tìm điều kiện chế độ biên liên tục, có thể giải phương
trình <III.3.4*> để tìm điều kiện cho bề rộng xung dòng bằng π :
− (ω t −α )
U 2⎡
ω ⋅τ ⎤
sin(

Các sơ đồ chỉnh lưu điều khiển pha khác cũng có tính chất tương tự.
2. Sơ đồ chỉnh lưu SCR ba xung:

Sơ đồ chỉnh lưu SCR ba xung (hình III.4.6) còn có tên thông thường là hình tia ba pha, có
Ba xung áp ỡ ngỏ ra trong một chu kỳ lưới.
α
2π/3
A

T1

B

T2

C

T3

A

u
o

vo

B

C
2


C
2

wt

0

uA = U 2 sin ω t
uB = U 2 sin(ω t − 23π )
uC = U 2 sin(ω t −

4π
3

)

v
T1
v CA

v BA

T1 dẫn

v CA

Hình III.4.6.b: Dạng dòng, áp ra chỉnh lưu 3 xung, tải
thuần trở.


3

dòng ra giống như trường hợp T1 dẫn, nhưng chậm pha 2π/3.
Như vậy trong chu kỳ lưới 2 π có 3 xung áp tương ứng với 3 SCR làm việc, chỉ cần tích
phân 1 / 3 chu kỳ để tính trò trung bình áp ra. Có thể chia làm ba trường hợp:
¾ α < π / 6 : Áp lưới chưa về không trước khi kích SCR kế tiếp, ta có dòng tải liên tục:
3
3 α + π6 + 23π
3 6
Uo =
u
⋅
dwt
=
U 2 sin wt ⋅ dwt =
U ⋅ cos α <III.4.6>
o
2π
π
∫
∫
2π 3
2π α + 6
2π
¾ α > π / 6 : Áp lưới về không trước khi kích SCR kế tiếp:

3
2π
3
Uo =

¾ α > 5π / 6 : Áp pha tương ứng khi đó
bé hơn không, SCR không thể dẫn điện
khi được kích, suy ra phạm vi điều chỉnh
góc kích SCR khi tải R từ 0 đến 5π / 6.

Các SCR thay phiên nhau dẫn dòng tải
T1 Ỉ T2 Ỉ T3 Ỉ T1 … tương ứng với góc dẫn
cho một SCR (cũng là bệ rộng xung áp) là
2π/3 không phụ thuộc góc điều khiển pha. Như

chuong 3 chinh luuA.doc

B

io

C
2
wt

0

θ
2

0

2

0

v BA

v CA

Hình III.4.7: các dạng áp, dòng của sơ đồ chỉnh lưu
hình tia 3 pha, tải dòng liên tục

Page 21 of 55


vậy, dạng áp ra không phụ thuộc tải và trò trung bình áp ra có dạng <III.4.6>.

GHI NHỚ Ở chỉnh lưu 3 pha hình tia dùng SCR:

- Gốc để tính điều khiển pha (α = 0) là wt = θ = π/6.
- Tải R: trò trung bình áp ngỏ ra tính theo <III.4.6> và <III.4.7>, phạm vi
điều chỉnh góc α là 0 .. 5π/6
- Tải dòng liên tục (góc dẫn γ = 2π/3): trò trung bình áp ra được tính theo
<III.4.6>, phạm vi điều chỉnh góc α là 0 .. π
3. Sơ đồ chỉnh lưu SCR hình tia m xung:
Trong phần này, ta khảo sát một sơ đồ có có dạng tổng quát, đó là chỉnh lưu hình tia m
pha. Nguồn là hệ thống m pha hình sin <III.4.8> bộ chỉnh lưu bao gồm m SCR nối chung cực tính
(ở đây là catod để có áp ngỏ ra > 0).

e1 = U 2 sin ω t
e2 = U 2 sin(ω t − m1 2π )
e3 = U 2 sin(ω t − m2 2π )
...
em = U 2 sin(ω t −


e1

m

2π
π

...

wt

Tm

i
G

N

<III.4.8>

α

em

m

2

1



π π
+ +α
2 m

∫π

π
− +α
2 m

Đặt U do =
=>

m
U 2 sin wt.dwt =
2π
m 2

π

sin

π
m

π
m

+α

Page 22 of 55


Công thức III.4.10 là công thức tổng quát tính trung bình áp ra khi dòng tải
liên tục. Với mỗi sơ đồ, ta cần xác đònh số xung m và điện áp U.
3. Sơ đồ chỉnh lưu SCR sáu xung với tải dòng liên tục:
u+
T1

T2

α

io

T3

A

A

uo

B

T5

u_

π

G6

Hình III.4.9: Sơ đồ cầu 3 pha điều khiển pha:
mạch động lực (a), xung kích các SCR và dạng
áp ra (b).

2π

π

Hoạt động của sơ đồ cầu ba pha
điều khiển pha có thể phân tích thành hoạt
động của hai nhóm: nhóm dương gồm T1,
T2, T3 nối chung catod và nhóm âm gồm
T4, T5, T6 nối chung anod. Các nhóm này
cùng với trung tính nguồn tạo thành sơ đồ ba pha hình tia. Vì thế điểm chuyển mạch tự nhiên
(α = 0) của các SCR là các điểm mà pha tương ứng bắt đầu dương nhất (T1, T2, T3) hay âm nhất
(T4, T5, T6), bằng π/6 đối với SCR T1. Để xác đònh luật điều khiển các SCR, ta lưu ý thứ tự kích
các SCR trong mỗi nhóm chính là thứ tự các pha, các SCR trong cùng một pha hoạt động lệch
nửa chu kỳ lưới:
T1 Ỉ T2 Ỉ T3 Ỉ T1
T6 Ỉ T4 Ỉ T5 Ỉ T6
Như vậy khoảng cách xung giữa 2 SCR cùng nhóm (T1 và T2) là 2π/3 , giữa 2 SCR nối
tiếp (T1 và T6) là π / 3 (xem hình III.4.9.b). Lưu ý mỗi SCR đều nhận 2 xung: một để bắt đầu
dẫn (có tô đậm) và một xung phụ từ SCR được kích ngay sau nó (không tô), để đảm bảo mỗi lúc
có hai SCR làm việc.
Với giả thuyết dòng tải liên tục, mỗi lúc luôn có một SCR của mỗi nhóm làm việc, áp ra
của các nhóm u+ và u_ so với trung tính lưới vẽ bằng nét đậm trên hình III.4.9.b và áp ra trên
tải sẽ lần lượt là các áp dây tương ứng với cặp SCR đang dẫn:
SCR T1, T6 dẫn:

chuong 3 chinh luuA.doc

Page 23 of 55


Uo =

6
2π

∫2π uo dwt =
6

3

π∫

π

6

+α + 26π

π

+α
6

(uA − uB ) dwt =


Hình III.3.9: Dạng áp ra tải thuần trở ở góc điều khiển pha
thay nhau dẫn dòng tải
π/3

U oR

6
=
2π

π π
α+ +

6 3

∫π

α+

u2AB .dwt =

6

3

π

α+

2π

π
6

uAB .dwt =

+a

3

π

π π∫
3

U 6 sin wt.dwt =

+a

3 6

π

3 6

U [ − cos wt]π + a =
π

π

U [cos( + a) + 1]

dt
Như vậy áp trên tải thay đổi theo trạng thái dẫn điện của các chỉnh lưu, và như vậy nó
phụ thuộc vào góc điều khiển pha α và đặc tính phụ tải.

Thực vậy, nếu tải là RLE: uO = RiO + L

- Biện luận về chế độ dòng điện:
Với bộ chỉnh lưu m xung, bề rộng của mỗi xung dòng trong một chu kỳ 2π chỉ có thể
≤ 2π m . Dấu bằng tương ứng trường hợp dòng liên tục , khi đó SCR kế tiếp được kích khi các
SCR đang dẫn chưa tắt, hay các SCR thay phiên nhau dẫn dòng tải. Dấu nhỏ hơn cho trường hợp
dòng gián đoạn – có lúc dòng tải bằng không. Hình III.4.3 và III.4.4 cho ta dạng dòng trong hai
trường hợp. Có thể thấy rằng khả năng dòng tải liên tục xảy ra ở chỉnh lưu nhiều pha, khi số
xung m lớn và khi tải có tự cảm L cao làm kéo dài xung dòng.
Để biện luận chế dộ dòng điện của BBĐ, ta cần tính góc dẫn γ của chỉnh lưu 1 SCR với
lưu ý góc điều khiển pha α được tính với góc chuyển mạch tự nhiên θ tương ứng hay nói cách
khác, phương trình <III.3.4> được giải với góc α + θ thay cho α và điều kiện để dòng điện tải
liên tục là:
góc dẫn γ (α + θ , φ) ≥ 2π m

(

<III.5.1>

)

với φ là góc tải: φ = tg −1 wL R , m là số xung.
Với tải RLE, mọi thứ tương tự nhưng các phương trình có thay đổi, trong các tài liệu tham
khảo có thể tìm được các đồ thò để tra góc dẫn γ là một hàm của góc tải φ, góc điều khiển pha α,
và hệ số q tương ứng với sức phản điện E.