›
›

Bài giảng Điện tử công suất - Chương II: Bộ chỉnh lưu

pdf 64 trang haiha333 07/01/2022 7220
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Điện tử công suất - Chương II: Bộ chỉnh lưu", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_dien_tu_cong_suat_chuong_ii_bo_chinh_luu.pdf

Nội dung text: Bài giảng Điện tử công suất - Chương II: Bộ chỉnh lưu

  1. CHƯƠNG 2 BỘ CHỈNH LƯU
  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
  3. 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
  4. CHƯƠNG 2 Bộ chỉnh lưu tia
  5. CHƯƠNG 2 Bộ chỉnh lưu cầu
  6. CHƯƠNG 2 c. Theo số pha: - Bộ chỉnh lưu một pha - Bộ chỉnh lưu ba pha - Bộ chỉnh lưu nhiều pha
  7. BỘÄ CHỈNH LƯU TIA BA PHA KHÔNG ĐIỀUÀ KHIỂNÅ R V1 V2 V3 L u1 u2 u3 E
  8. BỘÄ CHỈNH LƯU TIA BA PHA KHÔNG ĐIỀUÀ KHIỂNÅ 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
  9. BỘÄ CHỈNH LƯU TIA BA PHA KHÔNG ĐIỀUÀ KHIỂNÅ 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
  10. BỘÄ CHỈNH LƯU TIA BA PHA KHÔNG ĐIỀUÀ KHIỂNÅ
  11. BỘÄ CHỈNH LƯU TIA BA PHA KHÔNG ĐIỀUÀ KHIỂNÅ Mơ phỏng Bộ chỉnh lưu tia ba pha dùng phần mềm PSIM
  12. BỘÄ CHỈNH LƯU TIA BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ • Nguồn xoay chiều ba pha dạng sao V1 V2 V3 R • 3 thyristor L • Tải một chiều. u1 u2 u3 E • Các khối điều khiển đưa xung điều khiển kích đóng các thyristor.
  13. BỘÄ CHỈNH LƯU TIA BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ 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
  14. BỘÄ CHỈNH LƯU TIA BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ
  15. BỘÄ CHỈNH LƯU TIA VỚIÙ DIODE ZERO V1 V2 V3 R V0 L u1 u2 u3 E
  16. BỘÄ CHỈNH LƯU TIA VỚIÙ DIODE ZERO Khi α≤π/6 : V0 không có tác dụng * Khi α > π /6 : Dòng tải qua V0 trong các khoảng mà áp trên tải sẽ âm nếu trong mạch không có V0. ¾ Trạng thái V1: V1 đóng V2 , V3, V0 ngắt , V2, V3 uv1 = 0 ; iv1 =id uv2 = u2 –u1;iv2 = 0 uv3 = u3 –u1; iv3 = 0 ud = u1 = -uv0. Tương tự cho trạng thái V2, V3.
  17. BỘÄ CHỈNH LƯU TIA VỚIÙ DIODE ZERO ¾ 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
  18. BỘÄ CHỈNH LƯU TIA VỚIÙ DIODE ZERO Mô phỏng bộ chỉnh lưu tia, quan sát các dạng sóng.
  19. BỘÄ CHỈNH LƯU TIA VỚIÙ DIODE ZERO Các hệ thức : ¾ Trường hợp α π /6 : Trị trung bình áp tải: 3 π 3 2 ⎛ ⎛ π ⎞⎞ U = U ⋅sin ωt ⋅ d ωt = U⎜1− sin α − ⎟ dα ∫ m ()() ⎜ ⎜ ⎟⎟ 2π α +π / 6 2π ⎝ ⎝ 3 ⎠⎠ Phạm vi điều khiển góc α : π/6 ≤α≤5π/6
  20. BỘÄ CHỈNH LƯU TIA VỚIÙ 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
  21. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ id V1 V3 V5 R u1 u2 L ud u3 V4 V6 V2 E
  22. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ - Nguồn 3 pha lý tưởng - 6 SCR chia làm 2 nhóm ( Anode : V1, V3,V5 , Cathode: V2, V4, V6 ) - Tải R, L, E
  23. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ - 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.
  24. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ - 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
  25. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ Giả thiết trong nhóm V1 đóng, V3,V5 ngắt uv1 = 0 ; iv1 = id uv3 = u2 –u1 ;iv3 = 0 uv5 = u3 –u1 ; iv5 = 0 udA = u1
  26. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ 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.
  27. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ - Như vậy ta có thể tách mạch cầu ba pha thành 2 mạch tia ba pha nhóm anode và cathode id u1 u2 u3 V1 V3 V5 udK udA V4 V6 V2 u1 u2 u3 id
  28. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ
  29. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ
  30. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ
  31. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ
  32. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ Hệ quả: ¾ 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: ⎡3⋅ 6 ⎛ 3⋅ 6 ⎞⎤ 3⋅ 6 U = u − u = ⋅cos α − ⎜− ⋅cos α ⎟ ⋅U = ⋅cos α ⋅U dα dA dK ⎢ ()⎜ ()⎟⎥ () ⎣⎢ 2π ⎝ 2π ⎠⎦⎥ π
  33. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ Trị trung bình dòng tải : U − E I = dα dα R
  34. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ ¾ Linh kiện: Aùp ngược lớn nhất trên linh kiện : U RWM = 6 ⋅U Dòng trung bình qua linh kiện : I I = d ( AV )T 3
  35. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ ¾ Nguồn: Trị hiệu dụng dòng qua nguồn 2 i = i − i ⇒ I = ⋅ I 1 V1 V 4 1 3 d
  36. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ BÁNÙ PHẦNÀ 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
  37. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ BÁNÙ PHẦNÀ
  38. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ BÁNÙ PHẦNÀ . 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.
  39. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ BÁNÙ PHẦNÀ
  40. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ BÁNÙ PHẦNÀ Mô phỏng bộ chỉnh lưu
  41. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ BÁNÙ PHẦNÀ
  42. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ BÁNÙ PHẦNÀ
  43. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ BA PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ BÁNÙ PHẦNÀ Hệ quả : Aùp chỉnh lưu trung bình ⎡3⋅ 6 ⎛ 3⋅ 6 ⎞⎤ 3⋅ 6 U = u − u = ⋅ cos α − ⎜− ⋅ cos α ⎟ ⋅U = ⋅ 1+ cos α ⋅U dα dA dK ⎢ () ⎜ ()⎟⎥ ()() ⎣⎢ 2π ⎝ 2π ⎠⎦⎥ 2π Khi thay đổi góc kích , ta thay đổi điện áp chỉnh lưu trung bình : 3⋅ 6 0 ≤ α ≤ π ⇔ 0 ≤ U ≤ ⋅U dα π
  44. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ MỘTÄ PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ
  45. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ MỘTÄ PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ 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 u1 vàu2 có phương trình như sau:
  46. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ MỘTÄ PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ U u = m sin()ωt ; 1 2 U u = m sin()ωt −π 2 2
  47. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ MỘTÄ PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ id u1 u2 V1 V3 udA udK u1 u2 V4 V2 id
  48. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ MỘTÄ PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ Ø Mô phỏng bộ chỉnh lưu cầu 1 pha
  49. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ MỘTÄ PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ ¾ Tải: -Aùp chỉnh lưu trung bình 1 α +π 2 ⋅ 2 U = U sin ωt dωt = ⋅U ⋅ cosα dα ∫ m () π α π -Phạm vi điều khiển áp tải : 2⋅ 2 2⋅ 2 0 ≤ α ≤ π ⇔ − ⋅U ≤ U ≤ ⋅U π d π - Dòng chỉnh lưu trung bình: U − E I = dα dα R
  50. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ MỘTÄ PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ HOÀNØ TOÀNØ ¾ Linh kiện : - Dòng trung bình qua linh kiện : Mỗi SCR dẫn ½ chu kỳ áp lưới I I = d T ()AV 2 - Aùp ngược cực đại trên linh kiện: U RWM = 2U ¾Nguồn: Trị hiệu dụng dòng qua nguồn 1 α +π I = I = I 2dωt = I S 1 ∫ d d π α
  51. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ MỘTÄ PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ BÁNÙ PHẦNÀ Cấu trúc đối xứng Cấu trúc bất đối xứng
  52. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ MỘTÄ PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ BÁNÙ PHẦNÀ Mô phỏng PSIM a) b)
  53. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ MỘTÄ PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ BÁNÙ PHẦNÀ ¾ Tải: -Aùp chỉnh lưu trung bình 1 π 2 U = U sin ωt dωt = ⋅U ⋅ 1+ cosα dα ∫ m () () π α π -Phạm vi điều khiển áp tải : 2⋅ 2 0 ≤ α ≤ π ⇔ 0 ≤ U ≤ ⋅U d π - Dòng chỉnh lưu trung bình: U − E I = dα dα R
  54. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ MỘTÄ PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ BÁNÙ PHẦNÀ 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;
  55. BỘÄ CHỈNH LƯU CẦUÀ MỘTÄ PHA ĐIỀUÀ KHIỂNÅ BÁNÙ PHẦNÀ 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 V0 cho dòng tải id đi qua trong các 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.
  56. 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.
  57. 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: di u − L V1 = u 1 dt d di u − L V 3 = u 3 dt d iV1 + iV 3 = Id di di u − L V1 = u − L V 3 1 dt 3 dt
  58. HIỆN TƯỢNG CHUYỂN MẠCH Hệ quả: -Hiện tượng chuyển mạch làm giảm áp tải trong thời gian chuyển mạch : 3ωL U cm = U − I d d 2π d Hạn chế phạm vi góc điều khiển và phạm vi điều khiển điện áp chỉnh lưu : αmax = π - δ - γ với γ :góc chuyển mạch. Góc chuyển mạch được tính theo công thức : ⎛ 2ωL I ⎞ γ = arccos⎜cosα − b d ⎟ −α ⎜ ⎟ ⎝ 3U m ⎠
  59. HIỆN TƯỢNG CHUYỂN MẠCH
  60. HIỆÄN TƯỢÏNG DÒØNG GIÁNÙ ĐOẠNÏ
  61. PHƯƠNG PHÁPÙ ĐIỀUÀ KHIỂNÅ
  62. BỘÄ CHỈNH LƯU KÉPÙ Lýdo sửdụng: 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.
  63. BỘÄ CHỈNH LƯU KÉPÙ
  64. BỘÄ CHỈNH LƯU KÉPÙ - 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: ¾ 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)