Bài giảng Điện tử công suất 1 - Chương 2: Bộ chỉnh lưu - Phan Quốc Dũng

BỘ CHỈNH LƯU 
CHƯƠNG 2
CHƯƠNG 2
1.Chức năng của bộ chỉnh lưu và ứng dụng:
a. Chức năng: Biến đổi dòng điện xoay chiều một pha, ba pha 
thành dòng một chiều.
b. Ứng dụng:
-Truyền động động cơ điện một chiều có điều khiển (công suất –
đến hàng MW)
- Nguồn cho mạch kích từ máy phát điện
- Các hệ thống giao thông dùng điện một chiều
- Công nghệ luyện kim màu, công nghệ hóa học
- Thiết bị hàn điện một chiều, mạ kim loại, nạp điện acquy
- Là bộ phận của thiết bị biến tần 
CHƯƠNG 2
2. Phân loại: Các dạng bộ chỉnh lưu cơ bản được phân loại theo :
a. Tính năng điều khiển
-Bộ chỉnh lưu không điều khiển ( dùng toàn diode trong cấu hình 
mạch động lực)
-Bộ chỉnh lưu điều khiểu hoàn toàn ( dùng toàn Thyristor )
-Bộ chỉnh lưu điều khiển bán phần ( dùng Diode + Thyristor )
b. Dạng mạch:
- Bộ chỉnh lưu mạch tia ( có điểm giữa )
- Bộ chỉnh lưu mạch cầu ( gồm khóa công suất nhóm Cathode + 
nhóm Anode )
- Bộ chỉnh lưu ghép nối tiếp, song song
- Bộ chỉnh lưu kép
CHƯƠNG 2
Bộ chỉnh lưu tia 
CHƯƠNG 2
Bộ chỉnh lưu cầu
CHƯƠNG 2
c. Theo số pha:
- Bộ chỉnh lưu một pha
- Bộ chỉnh lưu ba pha
- Bộ chỉnh lưu nhiều pha
BỘ CHỈNH LƯU TIA BA PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN
V1 V2 V3 R
L
u1 u3u2 E
BỘ CHỈNH LƯU TIA BA PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN
Các giả thiết :
• Nguồn áp lý tưởng ( áp hài cơ bản, hệ thống nguồn xoay chiều ba 
pha cân bằng, đối xứng, điện trở trong của nguồn bằng 0 )
• Các linh kiện bán dẫn lý tưởng
• Các dây nối và các bộ phận khác của mạch cũng lý tưởng
BỘ CHỈNH LƯU TIA BA PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN
Phân tích : 
Giả thiết dòng tải liên tục và mạch ở trạng thái xác lập. 
Trình tự tiến hành phân tích :
1. Xác định khoảng dẫn và trình tự đóng ngắt của các khóa diode 
trong một chu kỳ áp nguồn
2. Thiết lập các phương trình trạng thái áp, dòng cho tải, linh kiện, 
nguồn
3. Dựng các giản đồ áp và dòng ở xác lập cho tải, linh kiện, nguồn
4. Các hệ thức, hệ quả ở xác lập đối với tải, linh kiện, nguồn
BỘ CHỈNH LƯU TIA BA PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN
BỘ CHỈNH LƯU TIA BA PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN
Mơ phỏng Bộ chỉnh lưu tia ba pha dùng phần mềm PSIM
BỘ CHỈNH LƯU TIA BA PHA ĐIỀU KHIỂN
• Nguồn xoay chiều ba pha 
dạng sao
• 3 thyristor 
• Tải một chiều. 
• Các khối điều khiển đưa 
xung điều khiển kích đóng các 
thyristor. 
BỘ CHỈNH LƯU TIA BA PHA ĐIỀU KHIỂN
Phân tích: 
a. Góc điều khiển α :
Nếu như các xung điều khiển thyristor được đưa vào trễ so với góc 
mà nếu ở vị trí đó các diode sẽ đóng, góc trễ đó gọi là góc điều khiển 
α hay góc trễ của quá trình chuyển mạch. Giá trị α phụ thuộc vào 
thời điểm gởi tín hiệu điều khiển.
Trạng thái áp và dòng được dời đi một góc α so với chỉnh lưu tia dùng 
diode. 
b. Phạm vi điều khiển góc α : 
Để đóng SCR cần thoả 2 điều kiện:
Điện áp khóa thuận dương : VAK> 0
Xung điều khiển kích đĩng SCR : IG > 0 
BỘ CHỈNH LƯU TIA BA PHA ĐIỀU KHIỂN
BỘ CHỈNH LƯU TIA BA PHA ĐIỀU KHIỂN
BỘ CHỈNH LƯU TIA VỚI DIODE ZERO
RV3V2V1
u1 u3u2
E
L V0
BỘ CHỈNH LƯU TIA VỚI DIODE ZERO
Khi α ≤ pi /6 : V0 không có tác dụng
* Khi α > pi /6 : Dòng tải qua V0 trong các khoảng mà áp trên tải 
sẽ âm nếu trong mạch không có V0.

 Trạng thái V1: V1 đóng V2 , V3, V0 ngắt , V2, V3 
u = 0 ; i = iv1 v1 d
uv2 = u2 – u1; iv2 = 0
uv3 = u3 – u1; iv3 = 0
ud = u1 = -uv0.
Tương tự cho trạng thái V2, V3.
BỘ CHỈNH LƯU TIA VỚI DIODE ZERO

 Trạng thái V0: V0 đóng, V1,V2, V3 ngắt
uv0 = ud = 0; iv0 = id
uv1 = u1 ; iv1 = 0
uv2 = u2 ; iv2 = 0
uv3 = u3 ; iv3 = 0 
BỘ CHỈNH LƯU TIA VỚI DIODE ZERO
Mô phỏng bộ chỉnh lưu tia, quan sát các dạng sóng.
BỘ CHỈNH LƯU TIA VỚI DIODE ZERO
Các hệ thức : 

 Trường hợp α < pi /6 : tương tự chỉnh lưu tia ba pha 

 Trường hợp α > pi /6 :
Trị trung bình áp tải: 
Phạm vi điều khiển góc α : pi/6 ≤ α ≤ 5pi/6 
( ) ( ) 











−−=⋅⋅= ∫
+ 3
sin1
2
23
sin
2
3
6/
pi
α
pi
ωω
pi
pi
piα
α UtdtUU md
BỘ CHỈNH LƯU TIA VỚI DIODE ZERO
Tác dụng của V0
- Làm giảm giá trị hiệu dụng thành phần xoay chiều của áp 
chỉnh lưu qua việc ngắt bỏ phần áp âm
- Làm tăng hệ số công suất nguồn λ
- Không cho phép chế độ nghịch lưu
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
L
u1
u2
u3
V1
R
V3 V5
ud
id
E
V4 V6 V2
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
- Nguồn 3 pha lý tưởng
- 6 SCR chia làm 2 nhóm ( Anode : V1, V3,V5 , Cathode: 
V2, V4, V6 )
- Tải R, L, E
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
- Giả thiết dòng qua tải liên tục, tách mạch cầu thành 2 
nhóm linh kiện Anode và nhóm Cathode. Điện áp phụ được đưa 
vào khảo sát là udA và udK. Ở một thời điểm, 1 SCR nhóm anode 
+ 1 SCR nhóm Cathode dẫn. 
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
- Trước tiên ta chứng minh rằng 2 nhóm linh kiện làm việc 
độc lập với nhau và mỗi nhóm làm việc như một mạch tia 3 pha . 
Giả thiết dòng Id đi qua tải và ta theo dõi nhóm anode 
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
Giả thiết trong nhóm V1 đóng, V3,V5 ngắt
uv1 = 0 ; iv1 = id
uv3 = u2 – u1 ; iv3 = 0
u = u – u ; i = 0v5 3 1 v5
udA = u1
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
Nhận xét thấy các hệ thức mô tả áp và dòng hoàn toàn
không phụ thuộc vào trạng thái đóng ngắt của các Thyristor
nhóm Cathode.
Chứng minh tương tự cho V3, V5.
Chứng minh tương tự cho nhóm Cathode.
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
- Như vậy ta có thể tách mạch cầu ba pha thành 2 mạch tia 
ba pha nhóm anode và cathode 
id
u1 u2 u3
u2 u3
V1 V3 V5
u1
udA
V4 V6 V2
id
udK
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
Hệ quả: 

 Tải: 
- Áp tải có dạng 6 xung trong một chu kỳ áp lưới. Chu kỳ áp 
chỉnh lưu TCL = T/6. Tần số hài bậc 1 của áp chỉnh lưu:
Trị trung bình áp chỉnh lưu:
( ) ( ) ( ) UUuuU dKdAd ⋅⋅⋅=⋅
















⋅
⋅
−−⋅
⋅
=−= α
pi
α
pi
α
piα
cos
63
cos
2
63
cos
2
63
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
Trị trung bình dòng tải : 
R
EU
I dd
−
=
α
α
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN

 Linh kiện:
Aùp ngược lớn nhất trên linh kiện : 
UU RWM ⋅= 6
Dòng trung bình qua linh kiện : 
3)(
d
TAV
I
I =
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN

 Nguồn: Trị hiệu dụng dòng qua nguồn
dVV IIiii ⋅=⇒−= 3
2
1411
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN
Khi thay nhóm linh kiện Anode ( hoặc Cathode ) trong BCL 
mạch cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn bằng diode công suất ta 
được BCL mạch cầu 3 pha điều khiển bán phần.
Ưu điểm : Kinh tế hơn vì giá thành diode thấp hơn SCR
Khuyết điểm: Vùng điều khiển hẹp hơn 
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN
. Phân tích:
Trong trường hợp trên ta xem diode như 1 thyristor bình thường với 
góc điều khiển α = 0. Việc phân tích tiến hành tương tự chỉnh lưu 
cầu ba pha điều khiển hoàn toàn. Mạch có cấu trúc gồm hai bộ 
chỉnh lưu tia ba pha: điều khiển và không điều khiển.
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN
Mô phỏng bộ chỉnh lưu 
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN
BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN
Hệ quả : Aùp chỉnh lưu trung bình
( ) ( ) ( )( ) UUuuU dKdAd ⋅+⋅⋅=⋅
















⋅
⋅
−−⋅
⋅
=−= α
pi
α
pi
α
piα
cos1
2
63
cos
2
63
cos
2
63
Khi thay đổi góc kích , ta thay đổi điện áp chỉnh lưu trung bình :
UU d ⋅
⋅≤≤⇔≤≤
pi
piα α
6300
BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
Giả thiết :
- Nguồn xoay chiều một pha lý tưởng 
- 4 SCR lý tưởng
- Dòng qua tải liên tục
Phân tích :
Mạch cầu có cấu trúc tương đương 2 mạch tia 2 pha mắc nối tiếp. 
Nguồn áp một pha u được phân tích thành hai nguồn xoay chiều 
tương đương u
1
và u
2
có phương trình như sau:
BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
( )
( )piω
ω
−=
=
t
U
u
t
U
u
m
m
sin
2
;sin
2
2
1
BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
V1 V3
u1 u2
udA udK
id
u2u1
V2V4
id
BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
Ø Mô phỏng bộ chỉnh lưu cầu 1 pha
BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN

 Tải: 
-Aùp chỉnh lưu trung bình 
-Phạm vi điều khiển áp tải :
( ) α
pi
ωω
pi
piα
α
α cos
22
sin1 ⋅⋅⋅== ∫
+
UtdtUU md
- Dòng chỉnh lưu trung bình: 
UUU d ⋅
⋅≤≤⋅⋅−⇔≤≤
pipi
piα
22220
R
EU
I dd
−
=
α
α
BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN

 Linh kiện : 
- Dòng trung bình qua linh kiện : Mỗi SCR dẫn ½ chu kỳ áp lưới 
- Aùp ngược cực đại trên linh kiện:
( ) 2
d
AVT
I
I =

Nguồn: Trị hiệu dụng dòng qua nguồn
UU RWM 2=
dS ItdIII d === ∫
+
ω
pi
piα
α
2
1
1
BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN
Cấu trúc đối xứng Cấu trúc bất đối xứng
BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN
Mô phỏng PSIM
a) b)
BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN

 Tải: 
-Aùp chỉnh lưu trung bình 
( ) ( )α
pi
ωω
pi
pi
α
α cos1
2
sin1 +⋅⋅== ∫ UtdtUU md
-Phạm vi điều khiển áp tải :
- Dòng chỉnh lưu trung bình: 
UU d ⋅
⋅≤≤⇔≤≤
pi
piα
2200
R
EU
I dd
−
=
α
α
BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN
Nhận xét: 
- Cả hai cấu hình đều làm mất phần áp âm trên tải . 
Sóng dợn vì thế thuận lợi hơn cho các ứng dụng. Chế độ 
nghịch lưu không xảy ra. Hệ số công suất cao hơn so với 
chỉnh lưu cầu một pha điều khiển toàn phần với cùng góc 
kích α;
- Thời gian ngắt an toàn tq : Mạch không đối xứng 
an toàn hơn mạch có cấu trúc đối xứng và chỉnh lưu điều 
khiển hoàn toàn nên góc αđk có phạm vi điều khiển lớn 
hơn;
BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN
Nhận xét: 
- Mạch cầu 1 pha với diode chuyển mạch (diode V0) : Diode 
V0 trong mạch cầu 3 pha hoặc 1 pha điều khiển bán phần có 
tác dụng mở rộng trong phạm vi điều khiển điện áp chỉnh 
lưu đến giá trị 0. Diode V cho dòng tải i đi qua trong các 0 d
khoảng thời gian mà trong trường hợp mạch không chứa V0
thì dòng tải sẽ không đi qua áp nguồn mà đi qua cặp diode –
thyristor ( thí dụ V1 V4 ). Do đó làm tăng khoảng thời gian 
ngắt an toàn cho các SCR. 
HIỆN TƯỢNG CHUYỂN MẠCH
Trong thực tế , nguồn có cảm kháng trong làm dòng qua nó
không thể thay đổi đột ngột. Hiện tượng chuyển mạch diễn ra
với một khoảng thời gian nào đó và hình thành trạng thái các
nhánh cùng dẫn điện. Hiện tượng này còn được gọi là hiện
tượng trùng dẫn.
HIỆN TƯỢNG CHUYỂN MẠCH
TLTK : overlap mục 11.7 p.306.
Phương trình cơ bản cho bộ chỉnh lưu tia ba pha khi chuyển
mạch giữa V3 và V1:
u
dt
diLu dV11 =−
dt
diLu
dt
diLu
Iii
u
dt
diLu
VV
dVV
d
V
3
3
1
1
31
3
3
−=−
=+
=−
HIỆN TƯỢNG CHUYỂN MẠCH
Hệ quả:
-Hiện tượng chuyển mạch làm giảm áp tải trong thời gian 
chuyển mạch :
-- Hạn chế phạm vi góc điều khiển và phạm vi điều khiển điện 
dd
cm
d I
LUU
pi
ω
2
3
−=
áp chỉnh lưu :
αmax = pi - δ - γ
với γ :góc chuyển mạch. Góc chuyển mạch được tính theo công 
thức :
α
ω
αγ −








−=
m
db
U
IL
3
2
cosarccos
HIỆN TƯỢNG CHUYỂN MẠCH
HIỆN TƯỢNG DÒNG GIÁN ĐOẠN
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
BỘ CHỈNH LƯU KÉP
Lý do sử dụng:
Các mạch của bộ chỉnh lưu trong các phần trước đây có thể làm
việc với điện áp chỉnh lưu dương hoặc âm , nhưng dòng điện chỉ
có thể đi theo một chiều . Điểm làm việc vì thế chỉ có thể dịch
chuyển trong một vùng (quadrant) hoặc hai vùng mặt phẳng Ud ,
Id và ta gọi bộ chỉnh lưu một vùng hoặc hai vùng.
Bằng cách kết hợp hợp lý các bộ chỉnh lưu 2 vùng với nhau , ta có 
thể tạo điều kiện cho dòng điện đi qua tải hai chiều . Ta gọi 
mạch kết hợp này là bộ chỉnh lưu bốn vùng.
BỘ CHỈNH LƯU KÉP
BỘ CHỈNH LƯU KÉP
- Có hai phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu kép
+ Phương pháp không dùng dòng cân bằng : ở một thời điểm chỉ có 1 
bộ chỉnh lưu làm việc và tải dòng id , bộ còn lại bị khóa hoàn toàn 
bởi xung cổng bị cấm.
+ Phương pháp dùng dòng cân bằng có những ưu điểm sau:

 Dòng cân bằng duy trì chế độ dẫn điện liên tục của 2 bộ chỉnh
lưu không phụ thuộc tính chất tải, trong suốt cả vùng điều khiển
Bởi vì 1 bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu và bộ còn lại
làm việc chế độ nghịch lưu , công suất có thể được truyền bất cứ
chiều nào ở bất cứ chiều nào ở bất kỳ thời điểm nào
• Cả hai BCL đều làm việc liên tục nên đáp ứng thời gian khi
chuyển vùng làm việc nhanh hơn ( thích hợp cho việc điều khiển
vận tốc động cơ một chiều với yêu cầu đảo chiều quay với đặc
tính động cao)