Chương 7. BẢO VỆ THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI

Chia sẻ: đào Nguyên Khánh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:15

Thêm vào BST

Báo xấu

121
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng ngày càng nhiều do có những ưu điểm như gọn nhẹ, làm việc tin cậy, tác động nhanh, hiệu suất cao, dễ thực hiện tự động hoá vv... Tuy nhiên, các phần tử bán dẫn công suất cũng đòi hỏi các điều kiện khắt khe. Trước hết là phải tôn trọng những trị số giới hạn sử dụng do nhà sản xuất đã chỉ ra đối với từng phần tử như:

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 7. BẢO VỆ THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI

Chương 7. BẢO VỆ THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI Các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng ngày càng nhi ều do có những ưu đi ểm nh ư gọn nhẹ, làm việc tin cậy, tác động nhanh, hiệu suất cao, dễ thực hiện tự động hoá vv... Tuy nhiên, các phần tử bán dẫn công suất cũng đòi hỏi các điều ki ện kh ắt khe. Tr ước h ết là phải tôn trọng những trị số giới hạn sử dụng do nhà sản xuất đã chỉ ra đối với từng phần tử như: - Điện áp ngược lớn nhất; - Trị trung bình cho phép đối với dòng điện; - Nhiệt độ lớn nhất của mặt ghép; du ; - Tốc độ tăng trưởng lớn nhất của điện áp dt di ; - Tốc độ tăng trưởng lớn nhất của dòng điện dt - Thời han khoá toff... Các phần tử bán dẫn công suất cần được bảo vệ chống những sự c ố b ất ngờ xảy ra, nh ững "nhiễu loạn" nguy hiểm như ngắn mạch tải, quá điện áp hoặc quá dòng điện. 7.1. CÔNG SUẤT TỔN THẤT VÀ LÀM MÁT Khi tiristor hoặc diode mở cho dòng chảy qua, công suất tổn th ất bên trong sẽ đ ốt nóng chúng. Mặt ghép là nơi bị đốt nóng nhiều nhất, người ta dùng ký hi ệu T j để chỉ nhiệt độ mặt ghép, Tjm để chỉ nhiệt độ lớn nhất cho phép. Đối với bán dẫn Ge: Tjm = 800 ÷ 1000C Đối với bán dẫn Si: Tjm = 1500 ÷ 2000C Công suất tổn thất trong thiết bị bán dẫn ký hiệu là ∆ P, tính bằng oát (W), thường được chia thành: tổn thất chính (∆ P1) và tổn thất phụ (∆ P2). Tổn thất chính do dòng điện gây nên. Tổn thất phụ bao gồm tổn thất chuyển trạng thái (từ trạng thái khoá chuyển sang trạng thái mở và ngược l ại) và tổn thất trong mặt ghép. Thường tổn thất phụ không vượt quá 5% của tổn thất ∆ P. Vì vậy có thể xem ∆ P ≈ ∆ P1. Hình 7.1 Để tính ∆ P cần biết đặc tính vôn - ampe c ủa thiết bị bán d ẫn. Trong tính toán, ng ười ta dùng đặc tính V - A gần đúng (hình 7.1a): uAC = U0 + i.Rd (7.1) Trong đó Rd là điện trở vi phân hoặc điện trở động: Rd = ctgα Dòng điện i chảy qua thiết bị bán dẫn thường là dòng điện biến thiên theo chu kỳ. Như vậy:
1T 1T T∫ u AC idt = ∫ (U 0 + iR d ).idt ∆P = T0 0 hoặc: ∆P = U 0 I 0 + Rd I 2 (7.2) Trong đó I0 là dòng trung bình, I là dòng hiệu dụng chảy trong thiết bị bán dẫn. Thiết bị bán dẫn nhạy cảm với nhiệt độ. Nếu khi làm việc, nhiệt độ mặt ghép vượt quá T jm, dù trong thời gian rất ngắn vẫn có thể phá hỏng thiết bị bán dẫn. Vì vậy việc tính toán nhiệt độ mặt ghép là cần thiết. Sơ đồ đẳng trị nhiệt được thể hiện trên hình 7.2. Trong đó: Tj - nhiệt độ mặt ghép; Tv - nhiệt độ vỏ thiết bị bán dẫn; Tr - nhiệt độ cánh tản nhiệt; Ta - nhiệt độ không khí của môi trường làm việc; Rjv - nhiệt trở giữa mặt ghép và vỏ thiết bị bán dẫn; Rvr - nhiệt trở giữa vỏ và cánh tản nhiệt; Rra - nhiệt trở giữa cánh tản nhiệt và không khí môi trường. Hình 7.2.Sơ đồ đẳng trị nhiệt Nhiệt được truyền từ vùng nóng sang vùng lạnh. Công su ất nhi ệt đ ược truy ền đi t ỷ l ệ thu ận với nhiệt sai và tỉ lệ nghịch với nhiệt trở Rth. T1 − T2 ∆P = Rth (7.3) Trong đó, T1 là nhiệt độ vùng nóng, T2 là nhiệt độ vùng lạnh. Nhiệt trở tính bằng 0C/W; Rth = Rjv + Rvr + Rra Bài toán về tính toán nhiệt thường đưa ra như sau: Cho biết: Tjm, Ta, Rth, ∆ P. Yêu cầu xác định biện pháp làm mát (làm mát bằng đối lưu tự nhiên hay phải quạt mát với tốc độ bao nhiêu m/s). Ví dụ 1 Tjm = 1150; Rjv = 0,240C/W; Rrv = 0,040C/W và Rra. Cho trên hình 7.1b; ∆ P = 160W; Ta = 400C. Theo (7.3), ta có: T j − Ta 115 − 40 Rth ≤ = = 0,4680 C / W ∆P 160 Do đó: Rra ≤ Rth - (Rjv + Rvr) = 0,468 - (0,24+0,04) = 0,1880C/W Nhờ đường cong trên hình 7.1b, biết được rằng phải dùng quạt để th ổi không khí v ới t ốc đ ộ 4m/s. Ví dụ 2 Tiristor có đặc tính V - A như trình bày trên hình 7.3. Tính công suất tổn thất trong tiristor. a. Khi có dòng điện một chiều 23A chảy qua. b. Khi tiristor làm việc trong sơ đồ chỉnh lưu m ột pha, n ửa chu kỳ và dòng đi ện xoay chi ều i = 18πsinωt chảy qua.
Bài giải Điện trở động của tiristor: 1,1 Rd = ctgα = = 0,01830 C / W 60 T 1 a. ∆P = ∫ (U 0 + Rd I ) Idt = (1 + 0,0183.23).23 = 32,68W T0 π 1 2π ∫ (U 0 + Rd i )idθ b. ∆P = 0 Hình 7.3 π 1 2π ∫ (1 + 0,0183.18π . sin θ ).18π sin θ .dθ = 32,62 W = 0 Ví dụ 3. Công suất tổn thất trong tiristor là ∆ P = 30W Nhiệt trở giữa mặt ghép và cánh tản nhiệt là Rjr = 0,70C/W Nhiệt độ môi trường Ta = 400C; nhiệt độ cực đại của mặt ghép Tjmax = 1250C. Nhiệt trở tổng cộng là: 125 − 40 Rth = = 2,830 C / W 30 Nhiệt trở giữa cánh tản nhiệt và môi trường là: Rra = 2,83 - 0,7 = 2,130C/W Nhiệt độ của cánh tản nhiệt = 40 + 2,13.30 = 103,90C Nhận xét Nhiệt độ không khí môi trường làm việc là T a ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc an toàn của thiết bị bán dẫn. Trong bài toán đang xét, nếu T a = 600C thì Rth ≤ 0.3440C/W, bấy giờ Rra = 0,0640C/W. Theo đường cong trên hình 7.1b thì không thể làm mát thi ết b ị bán dẫn v ới t ốc đ ộ l ớn nh ư th ế. V ậy phải chọn thiết bị bán dẫn có công suất lớn hơn và có cánh tản nhiệt lớn hơn. Đường cong Rra = f(∆ P, Ta) do các nhà chế tạo cánh tản nhiệt cung cấp (hình 7.1c). Thiết bị bán dẫn không được làm mát thì khả năng chịu dòng ch ỉ còn khoảng 30 đến 50% dòng định mức. Ví dụ: tiristor TL - 200 có thể có dòng 200A chảy qua nếu được quạt mát v ới t ốc đ ộ 12m/s. Nếu dùng cánh tản nhiệt thì nó chỉ làm việc được với dòng (80 ÷ 100)A, và n ếu cũng không có cánh tản nhiệt thì chỉ còn (40 ÷ 50)A. Biện pháp làm mát thông dụng nhất là quạt không khí bao xung quanh cánh tản nhi ệt. Đ ối v ới công suất lớn hơn, người ta cho nước trực tiếp chảy qua cánh tản nhi ệt, ho ặc ngâm c ả thi ết b ị bán dẫn vào dầu biến thế. 7.2. NGẮN MẠCH Ở ĐẦU RA CỦA CẦU CHỈNH LƯU DIODE Sơ đồ nghiên cứu ngắn mạch đầu ra của cầu chỉnh lưu diode được thể hiện trên hình 7.4. Xét trường hợp sự cố xảy ra khi D6 đang dẫn dòng, D1 và D5 trùng dẫn, ta có: ea = 2U 2 sin θ eb = 2U 2 sin(θ − 2π / 3) ec = 2U 2 sin(θ − 4π / 3)
i1 + i5 = i6 (7.4) i1(0) = 0; i5(0) = i6(0) = Id (7.5) Hình 7.4 Hai pha a và b ngắn mạch qua D1 và D6. Hai pha a và c ngắn mạch qua D1 và D5. Đối với các mạch kể trên ta có các phương trình: di1 di ea − eb = R.i1 + L. + R.i6 + L. 6 dt dt (7.6) di5 di ee − ea = R.i5 + L. − R.i1 − L. 1 (7.7) dt dt ea + eb + ec = 0 (7.8) Từ (7.4), (7.6), (7.7) và (7.8), rút ra: di1 + R.i1 = ea L. dt (7.9)   θ − tgϕ i1 = I m sin(θ − ϕ ) + sin ϕ .e  và (7.10)     Trong đó: 2U 2 X Im = ; t ; R +X 2 2 R X = ωL; R = R 2 + R' 1 L = L2 + L'1; Thay (7.9) vào (7.7), ta được: di5 + R.i5 = ec = 2U 2 sin(θ + 2π / 3) L. dt θ − i5 = I m sin(θ + 2π / 3 − ϕ ) + [ I d − I m sin( 2π / 3 − ϕ )].e và (7.11) tgϕ Thay (7.9) vào (7.6), ta được: di6 + R.i6 = −eb = 2U 2 sin(θ + π / 3) L. dt θ − tgϕ và i6 = Imsin(θ+π/3-ϕ)+[Id - Imsin(π/3-ϕ)].e (7.12) Dòng điện các pha gồm một thành phần biến thiên chu kỳ và m ột thành phần suy gi ảm theo L hàm mũ. Sau thời gian khoảng 3τ (với τ = ) , các thành phần suy giảm xuống gần bằng 0. Bấy gi ờ R
dòng điện chảy trong các pha sẽ là dòng đi ện xác lập, bi ến thiên theo d ạng hàm sin v ới biên đ ộ c ực đại bằng Im. ii Các đường cong i *1 = ứng vớic các trị Im khác nhau của tgϕ được trình bày trên hình 7.5. Qua các đường cong này ta thấy rằng: trị cực đại của dòng điện phá hoại ở mỗi pha khi cầu chỉnh lưu bị ngắn mạch ngoài không vượt quá 2I m khi tgϕ = ∞ . Để giảm nhỏ dòng điện ngắn mạch, người ta thường đấu thêm điện kháng vào mạch điện xoay chiều. Hình 7.5 7.3. NGẮN MẠCH Ở ĐẦU RA CỦA CẦU CHỈNH LƯU TIRISTOR Sơ đồ nghiên cứu ngắn mạch đầu ra của cầu chỉnh lưu tiristor được trình bày trên hình 7.6. Xét trường hợp ngắn mạch ngoài xảy ra khi θ = O2, T6 đang cho dòng Id chảy qua và T1 bắt đầu đơn dẫn. Bấy giờ pha a và pha b bị ngắn mạch. Nếu chuyển gốc toạ độ sang O2 ta có: ea = 2U 2 sin(θ + π / 6 + α + µ ) eb = 2U 2 sin(θ − π / 2 + α + µ ) Hình 7.6.Ngắn mạch đầu ra của cầu chỉnh lưu tiristor Khi xảy ra sự cố (θ = O2), có thể viết phương trình: di + 2 R.i = ea − eb = 6U 2 sin(θ + π / 2 + α + µ ) 2 L. dt Viết phương trình trên dưới dạng toán tử Laplace: 6U 2 ( p. sinψ + ω cosψ ) i (0) I ( p) = + . ( p + b)( p 2 + ω 2 ) p+b 2L R i (0) = I d b= Trong đó: ψ = π/3 + α + µ; ; L Vận dụng quan hệ hàm ảnh - hàm gốc, có thể nhận được biểu th ức c ủa dòng ngắn m ạch hai pha như sau: 3  θ θ − − tgϕ tgϕ .I m sin(θ + π / 3 + α + µ − ϕ ) − sin(π / 3 + α + µ − ϕ ).e  + I d .e i= 2     (7.13)
Trong đó: 2U 2 X tgϕ = Im = X = ωL; ; R R2 + X 2 Nếu khi xảy ra ngắn mạch mà thiết bị bảo vệ cắt xung điều khi ển, thì các tiristor s ẽ khoá l ại khi dòng ngắn mạch i = 0. Nếu không c ắt xung đi ều khi ển thì đ ến th ời đi ểm O 3 tiristor T2 sẽ mở, bấy giờ sẽ xảy ra ngắn mạch ba pha. Dòng điện chảy qua T 6 giảm dần, còn dòng điện chảy qua T1 và T2 tăng dần dưới tác động của điện áp nguồn uac. Nói chung, dòng ngắn mạch của chỉnh lưu tiristor nhỏ hơn dòng ngắn m ạch c ủa ch ỉnh l ưu diode. Nếu có thiết bị cắt xung điều khiển khi xảy ra ngắn m ạch ngoài, biên đ ộ dòng ng ắn m ạch giảm xuống còn khoảng 70% biên độ dòng ngắn mạch khi không cắt xung điều khiển (hình 7.7). Hình 7.7.a) Cắt xung điều khiển; b) Không cắt xung điều khiển 7.4. NGẮN MẠCH TRONG THIẾT BỊ CHỈNH LƯU Sơ đồ nghiên cứu ngắn mạch trong thiết bị chỉnh lưu được trình bày trên hình 7.8. Hình 7.8.Ngắn mạch trong thiết bị chỉnh lưu Khi một phần tử bán dẫn công suất bị chọc thủng thì nó ch ỉ nh ư m ột dây d ẫn đi ện. Tiristor hoặc diode thường bị chọc thủng khi chuyển mạch, vì khi ấy chúng phải chịu điện áp ngược lớn nhất. Xét trường hợp sự cố xảy ra khi chuyển mạch từ D 1 sang D3, tức là khi eb bắt đầu lớn hơn ea. Lúc này, nếu D1 bị chọc thủng thì xảy ra ngắn mạch hai pha: pha a và pha b. Dòng đi ện i 3 = i1 chảy từ pha b vào pha a. Khi chuyển gốc toạ độ sang O1, ta có: ea = 2U 2 sin(θ + 5π / 6) eb = 2U 2 sin(θ + π / 6)
e −e di1 6U 2 sin θ + Ri1 = b a = L. dt 2 2 3  θ − tgϕ .I m sin(θ − ϕ ) + sin ϕ .e  i1 = i3 = 2     (7.14) Biểu thức (7.14) chỉ đúng trong khoảng O 1O2, đó là giai đoạn I. Khi θ = O2, ec bắt đầu > 0, D 5 bắt đầu dẫn dòng, lúc này xảy ra ngắn mạch ba pha, giai đoạn II, dòng đi ện từ pha b và pha c đ ổ vào pha a. Nếu chuyển gốc toạ độ sang O2, ta có: ea = − 2U 2 sin(θ + π / 3) eb = 2U 2 sin(θ + 2π / 3) ec = 2U 2 sin θ i1 = i3 + i5 di3 di + R.i3 + L 1 + R.i1 = eb − ea L dt dt di5 di + R.i5 + L 1 + R.i1 = ec − ea L dt dt Từ hệ các phương trình trên rút ra: di5 + R.i5 = 2U 2 sin θ L dt   θ − i5 = I m sin(θ − ϕ ) + sin ϕ .e tgϕ   ,   (7.15) di3 + R.i3 = 2U 2 sin(θ + 2π / 3) L dt θ − tgϕ i3 = Imsin(θ+2π/3-ϕ)+[I3I - Im.sin(2π/3-ϕ)].e (7.16) Trong đó, I3I là trị của dòng điện chảy trong D3 và D1 ở cuối giai đoạn I. Giai đoạn II sẽ kết thúc tại O3. Giai đoạn III sẽ kết thúc khi i5 = 0. Đồ thị biến thiên của dòng điện chảy trong các diode có dạng như trình bày trên hình 7.8. Trên hình ta thấy, diode nào bị chọc thủng thì dòng điện chạy qua nó sẽ lớn nh ất. K ết qu ả tính toán cho biết biên độ cực đại của dòng điện chảy trong mạch có diode b ị ch ọc th ủng không v ượt quá 2,4 l ần Im. 7.5. BẢO VỆ NGẮN MẠCH VÀ QUÁ TẢI BẰNG DÂY CHẢY Để bảo vệ tiristor và diode tránh dòng điện phá ho ại, người ta thường dùng dây chảy tác đ ộng nhanh (khoảng vài ms). Loại dây chảy này làm bằng bạc lá, đ ặt trong v ỏ b ằng s ứ có ch ứa cát th ạch anh hoặc nước cất. Hoạt động của dây chảy chia thành hai giai đoạn (hình 7.9) Giai đoạn I, từ khi dòng điện sự cố tác động đến khi xuất hiện hồ quang t hq; trong giai đoạn này, dây chảy bị đốt nóng, mềm ra. Giai đoạn II, từ khi xuất hiện hồ quang đến khi cắt xong dòng điện sự c ố t c; trong giai đoạn này, điện áp hồ quang tăng dần, và do đó dòng điện sự cố giảm dần đến 0.
- Các thông số đặc trưng cho dây chảy là đi ện áp định m ức và dòng đi ện đ ịnh m ức. Không nên đặt dây chảy vào mạch điện có điện áp cao hơn điện áp của dây chảy. Dòng định m ức c ủa dây chảy phải bằng hoặc lớn hơn dòng điện bảo vệ nó, nhưng không lớn hơn 10%. - Bảo vệ riêng biệt từng tiristor được sử dụng trong trường h ợp khi m ột tiristor b ị ch ọc th ủng vẫn yêu cầu thiết bị biến đổi tiếp tục làm việc. Nếu có N tiristor ghép song song mà một tiristor bị chọc thủng thì dòng tải chia đều cho N - 1 tiristor còn l ại. Vì v ậy, khi chọn dòng định mức của dây chảy cần lưu ý trường hợp này. Hình 7.9 Hình 7.10 Có nhiều cách đặt dây chảy để bảo vệ thiết bị bán dẫn (hình 7.10): - Đặt nối tiếp với từng tiristor, vị trí 1; - Đặt ở từng pha của cuộn dây thứ cấp máy biến áp, vị trí 2; - Đặt nối tiếp với nhóm tiristor ghép song song, vị trí 3; - Đặt ở dầu ra của thiết bị biến đổi, vị trí 4; - Đặt ở phía sơ cấp máy biến áp; vị trí 5; - Bảng 7.1. Giới thiệu một số dây chảy Mã hiệu ПHБ5 ПHБ5M ПП41 ПП57 Điện áp định mức (V): - Xoay chiều 220, 380 380 450, 760 220, 380 660, 1250 1250 660, 2150 - Một chiều 200, 440 220 525, 825 160, 200 660 1080 440, 660 1080 Dòng điện định mức, A 40, 68 40, 63 100, 160 25, 40 100, 160 100, 160 250, 315 63, 100 250, 315 250, 315 400, 500 160, 250 400, 500 400, 500 630, 800 315, 400 630 630 1000 500, 630 800
Cấu trúc một dây chảy được trình bày trên hình 7.11. Khi dòng đi ện định m ức chảy qua dây chảy, nhiệt phát ra trong các khe hẹp được truyền sang phần r ộng h ơn và tiêu tán. Nh ưng khi dòng điện quá lớn chảy qua thì các khe hẹp sẽ chảy ra, tạo thành những hồ quang n ối ti ếp, đi ện áp m ột h ồ quang có thể đạt tới 50V. Hình 7.11.Cấu trúc dây chảy Dây chảy tác động nhanh do Liên Xô (cũ) chế tạo được giới thiệu trong bảng 7.1. 7.6. BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP Tiristor cũng rất nhạy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp định mức, ta gọi là quá điện áp. Nguyên nhân gây ra quá điện áp được chia làm hai loại: a - Nguyên nhân nội tại: Khi khoá tiristor bằng điện áp ngược, các đi ện tích ngược hành trình, t ạo ra dòng đi ện ng ược trong khoảng thời gian rất ngắn (khảng 10 ÷ 100 µs). Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các đi ện cảm (luôn luôn có) c ủa đ ường dây ngu ồn d ẫn di đến các tiristor. Quá điện áp này là tổng của điện áp làm việc và L nói trên. dt b - Nguyên nhân bên ngoài Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên như khi có sét đánh, khi c ầu chì b ảo v ệ nhảy, khi đóng cắt máy biến áp nguồn. Cắt máy biến áp nguồn tức là c ắt dòng đi ện t ừ hoá máy bi ến áp, bấy giờ năng lượng từ trường tích luỹ trong lõi sắt từ, chuyển thành năng l ượng đi ện tr ường ch ứa trong các tụ điện ký sinh, rất nhỏ, giữa dây quấn sơ cấp và thứ cấp c ủa máy bi ến áp (1/2 L.I 2 = 1/2C.U2). Điện áp này có thể lớn gấp 5 lần điện áp làm việc. Để bảo vệ quá điện áp người ta thường dùng mạch LRC, bảo vệ riêng từng tiristor (hình 7.12). Người ta thường chọn điện áp định mức của tiristor là U ≥ 1,2Uim. Trị số này vẫn nhỏ hơn nhiều so với trị cực đại của các quá điện áp kể trên. Các quá điện áp có tốc độ tăng du trưởng lớn. Đạo hàm điện áp sinh ra dòng điện chảy qua dt du tụ điện C, đấu giữa anốt - catốt của tiristor, i = C . Điện dt Hình 7.12.Bảo vệ quá điện áp cảm L hạn chế biên độ của dòng điện này. bằng mạch LRC Hình 7.13.Sơ đồ bộ biến đổi có bảo vệ quá dòng và quá áp
Khi kích mở tiristor, tụ điện C sẽ phóng điện qua tiristor; điện trở R hạn chế dòng điện này. Các linh kiện bảo vệ có thể tính toán bằng công thức, nhưng trong th ực t ế ng ười ta ưa dùng các trị số kinh nghiệm: C = 0,01 ÷ 1 µF; R = 10 ÷ 1000Ω L = 50 ÷ 100 µH; Hình 7.13 giới thiệu sơ đồ bộ biến đổi có đầy đủ các phần tử bảo vệ quá dòng và quá áp. Câu hỏi ôn tập 1. Tổn thất trên các van bán dẫn trong quá trình làm việc bao gồm những thành phần nào ? 2. Tại sao phải đặt vấn đề làm mát các van bán dẫn ? Dựa trên các thông số kỹ thuật nào dể tính toán quá trình làm mát ? 3. Bảo vệ quá tải và ngắn mạch cho các van bán dẫn ? 4. Bảo vệ quá áp cho các van bán dẫn ?
Chương 8. GHÉP TIRISTOR Đối với các thiết bị biến đổi công suất lớn, thường phải ghép song song ho ặc n ối ti ếp nhi ều tiristor mới đảm bảo được dòng và áp. Cũng có khi người ta ghép tiristor để nâng cao đ ộ tin c ậy c ủa thi ết b ị bi ến đ ổi, khi m ột vài tiristor hỏng sẽ không làm cho thiết bị biến đổi phải dừng làm việc. Đặc tính vôn - ampe của các tiristor cùng lo ại cũng th ường có s ự khác bi ệt, do đó có cái ph ải chịu quá tải về dòng (trường hợp ghép song song), có cái phải chịu quá tải v ề áp (tr ường h ợp ghép n ối tiếp). Vì vậy, cần có biện pháp chia dòng và áp cho từng tiristor tham gia trong tổ hợp. 8.1. GHÉP SONG SONG Trên hình 8.1 trình bày sơ đồ ghép song song tiristor, đường cong 1 và 2 là đ ặc tính vôn - ampe của tiristor T1 và T2 tương ứng. Khi ghép song song hai tiristor T 1 và T2 thì T1 phải chịu dòng tải lớn hơn. Để chia đều dòng tải, người ta thường dùng thi ết bị chia dòng ki ểu c ảm ứng đi ện t ừ. Nó là m ột gông từ hình xuyến, trên đó quấn hai cuộn dây sao cho khi có dòng chảy qua, sức t ừ đ ộng tác đ ộng ngược nhau. Như vậy, nếu dòng qua T1 tăng lớn hơn dòng qua T2 thì sẽ xuất hiện sức phản điện động nhằm làm giảm dòng I1 và làm tăng dòng I2. Trường hợp một tiristor mở trước cũng sẽ xuất hi ện sức phản điện động nói trên, tăng cường cho điện áp đặt trên tiristor chưa mở để nó được mở sớm hơn. Trên hình 8.1b trình bày cách bố trí thiết bị chia dòng. Có bao nhiêu tiristor đ ấu song song s ẽ có bấy nhiêu điện kháng. Mỗi điện kháng có hai cuộn dây giống nhau. M ột cu ộn dây c ủa đi ện kháng th ứ nhất đấu nối tiếp với tiristor trong nhánh song song th ứ nhất, còn cu ộn dây th ứ hai, có tính c ực ng ược lại, được đấu nối tiếp với tiristor trong nhánh song song thứ hai, vv... Hình 8.1.Ghép song song các tiristor Công thức tính toán điện kháng: E = k. W.S.f.Bm.10-4 (8.1) Trong đó: E - s.đ.đ cảm ứng trên cuộn dây do dòng điện không cân bằng gây nên. Trường hợp mất cân bằng lớn nhất E ≈ 1V; W - số vòng của điện kháng; S - tiết diện của gông từ, cm2 f - tần số của lưới điện, Hz; Bm - là từ cảm bão hoà của vật liệu gông từ, Tesla; k - hệ số phụ thuộc vào góc dẫn ωτ của tiristor: Góc dẫn ωτ 1800 điện 1200 điện 600 điện Hệ số k 2 3 6
8.2. GHÉP NỐI TIẾP Khi ghép nối tiếp hai tiristor T 1 và T2 (hình 8.2), tiristor nào có dòng điện rò nhỏ hơn sẽ phải chịu điện áp lớn hơn, và tiristor nào có thời gian m ở ch ậm h ơn s ẽ ph ải ch ịu toàn b ộ đi ện áp đ ặt trên toàn chuỗi. Hình 8.2.Nối tiếp các tiristor Để chia tương đối hợp lý điện áp cho mỗi tiristor phải ch ịu trong ch ế đ ộ tĩnh, ng ười ta th ường dùng điện trở, ký hiệu là Rs, được xác định như dưới đây. Chọn Um là điện áp lớn nhất cho phép đặt lên tiristor có dòng đi ện rò nhỏ nhất (I rmin). Qua hình 8.2, có thể viết các biểu thức sau: I1 + Irmin = I2 + Ir.max hoặc: I1 - I2 = Ir.max - Ir.min = ∆ I (8.2) Um = I1.Rs (8.3) Um.ch = Um + (n-1)I2.Rs (8.4) Trong đó: Um.ch - điện áp đặt lên toàn chuỗi; n - số lượng tiristor tham gia trong chuỗi. Thế (8.2) và (8.3) và (8.4), nhận được: Um.ch = n.Um-(n-1).Rs.∆ I Do đó có biểu thức: U m.ch Rs = n − (n − 1). U m / ∆I Um (8.5) Rs U m.ch Quan hệ giữa được trình bày trên và U m / ∆I Um hình 8.3. Rs U m.ch U m.ch Hình 8.3.Quan hệ giữa và Khi đã biết , ta dóng một đường thẳng U m / ∆I Um Um song
song với trục tung, cắt các đường cong chỉ số lượng tiristor. T ừ giao đi ểm v ừa nh ận đ ược, k ẻ m ột Rs đường thẳng song song với trục hoành, sẽ nhận được giá trị . U m.ch / ∆I Vì đã biết Um.ch và ∆ I nên xác định được Rs. Nếu coi: n.U m − U m.ch I rmn = 0 thì Rs ≥ (n − 1).I r . max Công suất tổn hao trên Rs được tính theo công thức sau: 2 U h .d Ps = ,W Rs Trong đó Uh.d là trị hiệu dụng của điện áp đặt trên điện trở Rs. Để chia điện áp cho mỗi tiristor phải chịu trong chế độ quá độ, người ta th ường dùng t ụ đi ện đấu song song với từng tiristor. Việc chia điện áp bằng cách này rất có hiệu quả trong quá trình quá độ, nhưng do tụ điện được nạp sẵn nên khi tiristor mở thì dòng anốt sẽ tăng lên, vì vậy phải sử d ụng thêm m ột đi ện tr ở n ối ti ếp du người ta dùng một diode đấu song song với R, thường chọn C = 0,5 µF, R với tụ điện. Để hạn chế dt = 30 ÷ 40 Ω , xem hình 8.4. Hình 8.4 8.3. MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHUỖI TIRISTOR GHÉP NỐI TIẾP Có hai biện pháp điều khiển chuỗi tiristor: điều khiển đồng thời và điều khiển kiểu bậc. Hình 8.6.Điều khiển kiểu bậc Hình 8.5.Điều khiển đồng thời - Điều khiển đồng thời (hình 8.5). Máy biến áp xung (BAX) cùng một lúc cấp các xung mở các tiristor. Đi ện tr ở R g được đưa vào từng cực điều khiển để điều chỉnh dòng điều khiển cho phù hợp với đòi hỏi của từng tiristor. Trường hợp công suất điều khiển bị hạn chế, có thể dùng tụ đi ện C g thay cho Rg nhưng phải thêm điện trở Rgk để tạo mạch phóng điện cho Cg. Biện pháp điều khiển đồng thời được sử dụng rộng rãi. Cần chú ý cách điện tốt BAX.
- Điều khiển kiểu bậc (hình 8.6). Biện pháp này chỉ sử dụng một xung để mở một tiristor đầu tiên. Các tiristor còn l ại trong chuỗi sẽ lần lượt được mở do tác động liên động. Sơ đồ hoạt động như sau: Cho xung mở T1, tụ điện C1 phóng điện qua cực điều khiển của T2 khiến T2 mở, tụ điện C2 lại phóng điện qua cực điều khiển của T3 khiến T3 mở,vv... Nhược điểm chính của sơ đồ điều chỉnh kiểu bậc là tiristor nào m ở sau cùng ph ải ch ịu đi ện áp của cả chuỗi. Thời gian mở chậm hơn so với biện pháp mở đồng thời. Câu hỏi ôn tập 1. Ghép nối tiếp các tiristor ? 2. Ghép song song các tiristor ?