Bài giảng Điện tử công suất - Chương 4: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều - Nguyễn Tiến Ban

Nội dung text: Bài giảng Điện tử công suất - Chương 4: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều - Nguyễn Tiến Ban

1. Chương 4 BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 1
2. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 2
3. Kinh ®iÓn, ®Ó thay ®æi ®iÖn ¸p xoay chiÒu ngêi ta thêng sö dông m¸y biÕn ¸p ( MBA) HiÖn nay, sö dông m¹ch Thyristor ( T) m¾c song song ngîc. ¦u ®iÓm: + §iÒu chØnh ®iÖn ¸p v« cÊp, linh ho¹t. + §iÒu chØnh nhanh, dÔ t¹o ra c¸c m¹ch vßng tù ®éng ®iÒu chØnh. + KÝch thíc bé biÕn ®æi ( BB§) gän, nhÑ, gi¸ thµnh h¹. Nhîc ®iÓm: + ChÊt lîng ®iÖn ¸p kh«ng tèt ( sãng kh«ng sinnus) + Tæn hao sãng bËc cao, ph¶i sö dông thªm bé läc xoay chiÒu. 3
4. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải thuần trở (tải R) 4
5. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha §iÖn ¸p trªn t¶i: ( thay ®æi gãc më trÞ hiÖu dông U thay ®æi) 2U 2 1 2 1 2 1 (1− cos 2 )d U = u 2 d = ( 2U sin  ) 2 d = t 1 1 2 2 0 0 sin 2 − + = U 2 = f ( ) 1 C«ng suÊt tiªu thô tÝch cùc: P sin 2 P = ( − + ) 2 P lµ c«ng suÊt tiªu thô khi = 0 sin 2 C«ng suÊt ph¶n kh¸ng: Q = P. 6
6. Dßng trung b×nh qua van: 1 U U I = m sin d = m (1+ cos ) t R R Gi¸ trÞ hiÖu dông dßng t¶i: 1 U U sin 2 I = ( m )2 sin 2 d = m − + R 2 R 2 §iÖn ¸p ngîc: U ngmax = 2 U2 7
7. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải thuần cảm (tải L) 8
8. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải thuần cảm (tải L) 9
9. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải thuần cảm (tải L) 10
10. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải thuần cảm (tải L) Biến thiên áp cửa ra theo góc kích 11
11. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải RL 12
12. Khi tải mang tính cảm kháng ( có cả R và L) dạng điện áp và dòng điện tuỳ thuộc vào tính tương quan giữa R và L mà khác nhau. Phương trình mô tả dòng điện biến đổi trong khoảng (  + ) như sau: di U sin  = L.R + .L. m d Trong đó  khoảng dẫn điện của T  − U Nghiệm của phương trình: i() = m sin( − ) + A.e tg Z L 2 2 = arctg z = R + (L) R A là hằng số tích phân, được tính từ điều kiện  = thì i = 0. 13
13. Tính được A sẽ tìm được dòng tải:  − U i() = m sin( − ) − sin( − ).e tg z Khi  = + ; i(t) = 0 thay vào tính được: − sin(  + − ) = sin( − ).e tg Đây là phương trình dùng để tính thời gian dẫn điện của T Khi > dòng tải gián đoạn; Khi dòng điện liên tục và điện áp không đổi. Như vậy, khả năng điều chỉnh điện áp chỉ có thể xảy ra khi góc dẫn của T nằm trong khoảng: . 14
14. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải RL Biến thiên áp cửa ra theo góc kích 15
15. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha Trường hợp tải RL 16
16. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha 17
17. Trong trường hợp mạch sử dụng dây trung tính thì dòng qua mỗi pha không phụ thuộc vào dòng cuat pha khác. Lúc đó các biểu thức tính , và tương tự như một pha. Khi tăng góc điều khiển sẽ làm giảm thời gian dẫn dòng qua T, ứng với mỗi giá trị nào đó, dòng trong pha sẽ giảm về 0 trước khi mở T của pha sau. Như vậy sẽ xuất hiẹn khoảng thời gian không có dòng tải và khoảng dẫn của T sẽ bị giảm đến giới hạn nhỏ hơn 60o. 18
18. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha 19
19. Khi bộ biến đổi được đấu sao không dây trung tính, quá trình điện từ trong mạch hoàn toàn khác vì việc dẫn dòng trong một pha phải tương thích và tuỳ thuộc vào pha khác. Để đảm bảo lượng sóng hài là tối thiểu thì góc mở phải bằng nhau, mỗi van lần lượt mở cách nhau 60o và có khoảng dẫn  như nhau. 20
20. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha 21
21. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha 23 Dạng sóng dòng, áp cửa ra trên 1 pha
22. 24 Dạng sóng dòng, áp cửa ra trên 1 pha
23. Dạng sóng dòng, áp đầu ra trên 1 pha 25
24. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha 26 Dạng sóng dòng, áp cửa ra trên 1 pha
25. Dạng sóng dòng, áp cửa ra trên 1 pha 27
26. 28 Dạng sóng dòng, áp cửa ra trên 1 pha
27. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Biến thiên điện áp hiệu dụng cửa ra với góc kích 29
28. Công tắc xoay chiều Tên gọi tiếng Anh: Solid state relay, Semiconductor relay Có thể hoạt động với tần số cao, đáp ứng nhanh, không gây phóng điện Có tổn hao trên linh kiện bán dẫn → Cần giải nhiệt Sử dụng trong: đóng ngắt động cơ, chuyển mạch nguồn cho lưới điện, chuyển mạch trong hệ thống UPS 30
29. Công tắc xoay chiều 1 pha 31
30. Công tắc xoay chiều 1 pha Cấu trúc một bộ contact xoay chiều 1 pha, đóng cắt đồng bộ với thời điểm áp lưới qua zero 32
31. Công tắc xoay chiều 1 pha Điện áp nguồn Dòng tải Tín hiệu điều khiển Đóng cắt không đồng bộ với thời điểm áp lưới qua zero 33
32. Công tắc xoay chiều Điện áp nguồn Dòng tải Thời điểm tắt dòng tải Tín hiệu điều khiển Đóng cắt đồng bộ với thời điểm áp lưới qua zero 34
33. Công tắc xoay chiều 3 pha 35
34. Công tắc xoay chiều 3 pha Cấu trúc một bộ contact xoay chiều 3 pha 36
35. Điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều Điều khiển pha: ▪ Phương pháp thông thường: điều khiển kích dẫn theo góc kích → nhiều sóng hài điện áp ▪ Phương pháp chuyển mạch cưỡng bức: - Điều khiển kích dẫn & kích tắt - Điện áp ngõ ra có thể được điều khiển theo kiểu điều rộng xung → giảm sóng hài - Cần sử dụng các linh kiện có thể kích tắt (transistor, GTO ) hoặc SCR với mạch tắt cưỡng bức 37
36. Điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều Điều khiển tỉ lệ thời gian (Time duty ratio control) Sử dụng contact xoay chiều, đóng ngắt đồng bộ với thời điểm áp lưới qua zero Chu kỳ đóng ngắt công suất cho tải: T = nTs (Ts: chu kỳ áp lưới) Kích đóng trong khoảng Tt = mTs (Tt T) T Điện áp hiệu dụng trên tải: UU= t t T 38
37. Ví dụ tính toán Ví duï 3.1: Boä bieán ñoåi aùp xoay chieàu moät pha caáp nguoàn cho taûi thuaàn trôû R=10. Nguoàn xoay chieàu coù trò hieäu duïng baèng 220V, 50Hz. Goùc ñieàu khieån = [ rad ] 2 a. Tính trò hieäu duïng aùp taûi b. Tính coâng suaát tieâu thuï cuûa taûi c. Tính heä soá coâng suaát d. Ñeå ñaït ñöôïc coâng suaát taûi baèng 4 kW, tính ñoä lôùn goùc kích e. Ñònh möùc linh kieän söû duïng 39
38. Ví dụ tính toán Giaûi: a. Trò hieäu duïng cuûa aùp taûi c. Heä soá coâng suaát nguoàn 1 ( boû qua toån hao treân SCR ) sin 2 2 P P P P Ut = 1 − + .U  = PF = t = t = t = t 2 U S U.I U.It U. t 1 R 2 sin 2. 2420 2  = = 0,707 = 1 − 2 + .220 = 155 ,56 [V ] 155 ,56 2. 220. 10 b. Coâng suaát tieâu thuï cuûa taûi 2 2 2 1 1 ut 1 2 Pt = ut .it .dX = .dX = .Ut 2 0 2 0 R R 155 ,56 2 P = = 2420 [W ] t 10 40
39. Ví dụ tính toán d. Khi Pt = 4 kW, ta coù: Ut = Pt .R = 4000 .10 = 200 [V ] . Treân ñaëc tính Ut( ), Ta xaùc ñònh goùc töông öùng vôùi Ut = 200V laø : = 0,99979[rad] hay =57,280 Ut (V) 250 200 150 100 50 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 41 Góc kích (rad)
40. Ví dụ tính toán e. AÙùp laøm vieäc lôùn nhaát cuûa SCR: UDWM = URWM = 220 . 2 = 311[V] Choïn heä soá an toaøn aùp: Ku = 2,5 ta coù tham soá SCR caàn choïn thoûa maõn ñieàu kieän: UDRM = URRM > 2,5.311 = 778[V] Trò trung bình doøng qua SCR ( =0): 1 2 1 2 .U.sin X IVAV = it .dX = .dX 2 0 2 0 R 2U 2 .220 I = = = 9,9[ A] VAV .R .10 Tròï hieäu duïng doøng qua SCR 1 2 2 2 1 2.U.sin X 2U 2.220 I RMS = .dX = = = 15,55[A] 2 0 R 2R 2.10 42
41. Ví dụ tính toán Ví duï 3.2 Coâng taéc xoay chieàu ba pha daïng ñaày ñuû maéc vaøo taûi theo caáu hình sao. Coâng suaát taûi P= 20kW, heä soá coâng suaát 0,707. Tính đđònh möùc aùp vaø doøng cho linh kieän. AÙp nguoàn coù trò hieäu duïng aùp daây 440V Lưu ý: Khi tính chọn SCR cần biết: - Điện áp ngược cực đại có thể đặt lên SCR, - Dòng trung bình , hoặc dòng hiệu dụng qua SCR. 43
42. Ví dụ tính toán Giaûi: Doøng ñieän qua moãi pha coù trò hieäu duïng: P 20000 I = = = 37,119[A] 3.U0.cos 3.440 .0,707 Doøng ñænh qua SCR: Im = 2.I = 2.37,119 = 52,5[A] Doøng trung bình qua SCR: I 52,5 I = m = = 16,71[A] AV Trò hieäu duïng doøng qua SCR: I 52,5 I = m = = 26,25[A] RMS 2 2 Ñieän aùp ñænh ñaët leân SCR: UDWM = URWM = 2.U = 2.440 = 622,3[V] 44
43. Ví dụ tính toán Ví duï 3.3 Boä bieán ñoåi aùp xoay chieàu moät pha maéc vaøo taûi L. 2 Tính trò hieäu duïng aùp vaø doøng taûi khi = [rad]. 3 Tính coâng suaát phaûn khaùng cuûa soùng haøi cô baûn. Cho bieát L=0,01H, aùp nguoàn U = 220V,  = 314 rad/s It L U Ut 45
44. Ví dụ tính toán Giaûi: Trị hiệu dụng áp tải tính theo công thức: 2 2 sin 2. sin 2 3 3 Ut = U. 2 1 − + = 220. 2 1 − + =137 ,566 [V ] 2 2 Trị hiệu dụng dòng tải: U 2 3 It = 2 1 − (1 + 2 cos )+ sin 2 .L 2 220 3 2 2 3 2 It = . 2. 1 − 1 + 2 cos + .sin 2. = 29 ,142 [ A] 314.0,01 3 3 46
45. Ví dụ tính toán Coâng suaát phaûn khaùng cuûa soùng haøi cô baûn: Q(1) = US.It(1) vôùi U I = S .(2 − 2 + sin 2 ) t(1) ..L 2 220 2 2 It(1) = . 2 − 2. + sin 2. .314.0,01 3 3 It(1) = 27 ,395 [ A] Ta ñöôïc Q(1) = 220.27,397 = 6025,8 Var 47
46. Ví dụ tính toán Ví duï 3.4 Maïch ñoäng löïc cuûa boä buø nhuyeãn moät pha như hình vẽ. Doøng buø ñöôïc ñieàu khieån baèng caùch thay ñoåi goùc kích trong khoaûng , . 2 AÙp nguoàn xoay chieàu coù trò hieäu duïng U = 220V,  = 314 rad/s. Coâng suaát buø cuûa tuï QC = 10 kVAr a/- Tính ñoä lôùn cuoän khaùng L ñeå coù theå buø coâng suaát vôùi ñoä lôùn thay ñoåi töø Qmin=0 ñeán Qmax = 10 kVAr. b/- Vôùi L tính ñöôïc, xaùc ñònh doøng buø toång ( haøi cô baûn) 2 5 öùng vôùi caùc tröôøng hôïp goùc ñieàu khieån = ; = ; = ; = 1 2 2 3 3 6 4 48
47. Ví dụ tính toán 49
48. Ví dụ tính toán 50
49. Ví dụ tính toán Giaûi: a/- Tính L ñeå coù theå buø töø Qmin=0 ñeán Qmax = 10 kVAr. Coâng suaát buø cuûa tuï: 2 U 2 QC = = .C.U XC Coâng suaát buø cuûa cuoän khaùng: U 2 U 2 QL = = X L .L Ñeå buø ñeán cos = 1, ta caàn coù QC = QL Töø ñoù: 1 L =  2 .C Q 10.000 C = C = = 657,99.10 −6 [F] .U 2 314 .220 2 1 L = = 0,0154 [H ] 314 2.(657,99.10 −6 ) 51
50. Ví dụ tính toán b/- Tính dòng bù tổng với các góc kích khác nhau Doøng buø toång: U ibuø = iC + i t (1) = j.C..U + j..L1 U US vôùi = IL(1) = 2 − 2 + sin 2  .L1 ..L Ta coù keát quaû: Ibuø = = 45,477-25,655=19,821A 2 2 Ibuø = =45,477-20,246=25,230A 3 5 Ibuø = = 45,477-13,802=31,674A 6 Ibuø ( = )= 45,477-0=45,477A 52
51. Ví dụ tính toán Ví duï 3.5: Cho boä bieán ñoài ñieän aùp xoay chieàu moät pha, taûi RL, Điện áp nguồn U = 220V, taàn soá nguoàn ac f=50Hz. Keát luaän gì veà tính lieân tuïc cuûa doøng taûi trong caùc tröôøng hôïp sau: a/- R = 10  ; L = 0,01H ; = 6 It b/- R = 1  ; L = 0,01 H ; = 6 R Ut L 53
52. Ví dụ tính toán Giaûi: a/- R = 10  ; L = 0,01H ; = 6 .L 314 .0,01 = arctg = arctg = 0,3042 [rad] R 10 = = 0,523[rad] 6 Doøng taûi giaùn ñoïan. 54
53. Ví dụ tính toán b/- R = 10  ; L = 0,01H ; = 6 .L 314 .0,01 = arctg = arctg = 1,262[rad] R 1 = = 0,523[rad] 6 Doøng taûi lieân tuïc . 55
54. Ví dụ tính toán Ví duï 3.6 Boä bieán ñoåi aùp xoay chieàu moät pha ñieàu khieån theo phöông phaùp tæ leä thôøi gian. Áp nguoàn xoay chieàu U = 220V,  = 314 rad/s. Thôøi gian ñoùng 1s, thôøi gian ngaét 0,5s. Taûi thuaàn trôû R = 50 a/- Tính trò hieäu duïng ñieän aùp taûi vaø doøng taûi b/- Tính coâng suaát taûi c/- Tính heä soá coâng suaát nguoàn 56
55. Ví dụ tính toán Giaûi: T 1 a/- Trò hieäu duïng aùp taûi:U = U. 1 = 220. =179 ,6[V ] t T 1,5 U 179 ,6 Do taûi R neân trò hieäu duïng doøng taûi I = t = = 3,592 [ A] t R 50 b/- Coâng suaát taûi R: U 2 179 ,6 2 P = t = = 645 ,333 [W ] R R 50 c/- Heä soá coâng suaát nguoàn P P 645 ,333  = R = R = = 0,8166 S U.It 220.3,592 57