Giáo trình Điện tử công suất - Chương II: Bộ chỉnh lưu - Phan Quốc Dũng (Tiếp theo)

Nội dung text: Giáo trình Điện tử công suất - Chương II: Bộ chỉnh lưu - Phan Quốc Dũng (Tiếp theo)

1. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH CHƯƠNG II: BỘ CHỈNH LƯU I. TỔNG QUÁT : 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 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 H2.1. Bộ chỉnh lưu mạch tia 26
2. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H2.2. Bộ chỉnh lưu dạng cầu c. Theo số pha: - Bộ chỉnh lưu một pha - Bộ chỉnh lưu ba pha - Bộ chỉnh lưu nhiều pha II. BỘ CHỈNH LƯU (BCL) MẠCH TIA BA PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN 1. Sơ đồ mạch: Gồm nguồn xoay chiều ba pha, ba diode công suất, tải một chiều tổng quát R,L,E R V1 V2 V3 L u1 u2 u3 E a) Sơ đồ nguyên lý BCL tia ba pha 2. Các giả thiết khi khảo sát BCL: - 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 3. Nguồn: Điện áp pha có phương trình : u1 = U m sin(ωt); u = U sin ωt − 2π ; (2.1) 2 m (3) u = U sin ωt − 4π 3 m ()3 với Um –biên độ áp pha nguồn, ω = 2πf với f – tần số áp nguồn. 27
3. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH 4. Phân tích : Giả thiết dòng tải liên tục và mạch ở trạng thái xác lập. Trình tự tiến hành phân tích BCL : - Xác định trình tự đóng ngắt của các khóa diode trong một chu kỳ áp nguồn - Thiết lập các phương trình trạng thái áp, dòng cho tải, linh kiện, nguồn - Dựng các giản đồ áp và dòng ở xác lập cho tải, linh kiện, nguồn - Các hệ thức, hệ quả ở xác lập đối với tải, linh kiện, nguồn Aùp nguồn xoay chiều TẢI 3 pha Aùp tải Dòng tải Dòng linh kiện Aùp linh kiện H2.3. Giản đồ áp và dòng BCL tia 3 pha không điều khiển Bảng 2.1. Bảng ký hiệu tương đương cho H2.3 28
4. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH Ký hiệu trên hình Ký hiệu tương đương v1, v2, v3 u1, u2, u3 Vmax Um vL, iL ud, id Vmean Ud vD1, vD2, vD3 uV1, uV2, uV3 i1, i2, i3 iV1, iV2, iV3 4.1.Trình tự đóng ngắt của các khoá Diode: Xét xem diode nào dẫn trong khoảng XY = [ π/6, 5π/6 ]. Điều kiện : chỉ 1 diode dẫn, 2 diode còn lại ngắt. - Giả sử V2 đóng, V1, V3 ngắt ⇒ uV2 = 0 Aùp rơi trên V1: uV1 = u1 – u2 > 0 ⇒ V1 dẫn ⇒ mâu thuẫn với giả thiết ⇒ V2 không thể đóng trong khoảng này. - Giả sử V3 đóng, V1, V2 ngắt : ⇒ uV3 = 0 , uV1 = u1 – u3 >= 0 ⇒ V1 dẫn ⇒ mâu thuẩn với giả thiết ⇒ V3 không thể đóng trong khoảng này. ⇒ V1 đóng . Ta có : uV1 = 0 , uV2 = u2 – u1 < 0 ⇒ V2 ngắt uV3 = u3 – u1 < 0 ⇒ V3 ngắt Kết luận : Vậy trong khoảng [ π/6, 5π/6 ] chỉ có thể V1 dẫn , V2, V3 ngắt ⎡π 2π 5π 2π ⎤ Chứng minh tương tự ⇒ trong khoảng ⎢ + ÷ + ⎥ , V2 dẫn, V1, V3 ngắt ⎣ 6 3 6 3 ⎦ ⎡π 4π 5π 4π ⎤ ⇒ trong khoảng ⎢ + ÷ + ⎥ , V3 dẫn, V1, V2 ngắt. ⎣ 6 3 6 3 ⎦ Như vậy trình tự đóng ngắt các khóa là V1, V2, V3, Kết luận : Pha có giá trị áp tức thời lớn nhất thì diode pha đó dẫn , các diode còn lại ngắt. 4.2.Phương trình trạng thái áp và dòng: ⎧uV1 = 0 Khi V1 dẫn ⎨ ⎩iV1 = id ⎧uV 2 = u2 − u1 ⎨ (2.2) ⎩iV 2 = 0 ⎧uV 3 = u3 − u1 ⎨ ⎩iV 3 = 0 ⎧uV 2 = 0 Khi V2 dẫn ⎨ ⎩iV 2 = id 29
5. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH ⎧uV1 = u1 − u2 ⎨ (2.3) ⎩iV1 = 0 ⎧uV 3 = u3 − u2 ⎨ ⎩iV 3 = 0 ⎧uV 3 = 0 Khi V3 dẫn ⎨ ⎩iV 3 = id ⎧uV1 = u1 − u3 ⎨ (2.4) ⎩iV1 = 0 ⎧uV 2 = u2 − u3 ⎨ ⎩iV 2 = 0 ⇒ Aùp ngược lớn nhất mà diode phải chịu U RWM = 3U m = 6U (2.5) 4.3.Đồ thị phân tích ở xác lập: Giả thiết cảm kháng tải L vô cùng lớn nên có thể xem id được nắn phẳng Id = const. Giản đồ áp và dòng chỉnh lưu (trên tải), áp và dòng qua linh kiện được trình bày trên H2.3b. 4.4. Các hệ thức: ¾ Tải : Áp chỉnh lưu có dạng 3 xung trong 1 chu kỳ áp nguồn, BCL được gọi là bộ chỉnh lưu 3 xung. Tần số hài cơ bản áp chỉnh lưu bằng 3 lần tần số áp nguồn fσ (1) = f s .p = 3 f s , với p là số xung chỉnh lưu (2.6) Trị trung bình áp chỉnh lưu (áp tải) 3 5π / 6 3 3 3 6 U = U sinωtd ωt = U = U (2.7) d ∫ m () m 2π π / 6 2π 2π Trị trung bình dòng chỉnh lưu U − E I = d (2.8) d R ¾ Linh kiện : Để tính toán chọn linh kiện, cần phải xác định các thông số sau: Áp ngược lớn nhất mà diode phải chịu: xem (H2.3) , công thức (2.5) U RWM = 6U Dòng trung bình qua linh kiện : mỗi diode dẫn 1/3 chu kỳ áp nguồn (1200) (H2.3) I I = d (2.9) DV1 3 Để định mức linh kiện : • Aùp U RRM ≥ K u .U RWM (2.10) với Ku = 2.5 ÷ 3.5 : hệ số an toàn về áp • Dòng I d ( AV ) ≥ K i .I dV1 (2.11) với Ki > 1 : hệ số an toàn về dòng ¾ Nguồn: Trong trường hợp này dòng qua pha nguồn bằng dòng qua linh kiện. 30
6. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH Trị hiệu dụng dòng nguồn 1 5π / 6 I I = I 2.dωt = d (2.12) 1 ∫ d 2π π / 6 3 III. BỘ CHỈNH LƯU TIA BA PHA ĐIỀU KHIỂN 1. Sơ đồ mạch: Cấu hình mạch động lực của bộ chỉnh lưu tia ba pha điều khiển gồm nguồn xoay chiều ba pha dạng sao, 3 thyristor và tải một chiều. Các khối điều khiển đưa xung điều khiển kích đóng các thyristor. Các thyristor điều khiển giá trị điện áp ngõ ra của bộ chỉnh lưu. V1 V2 V3 R L u1 u2 u3 E H2.4. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu tia ba pha điều khiển 2. Các giả thiết: ( tương tự phần II.2) 3. 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 1 góc α so với chỉnh lưu tia dùng diode. Phạm vi điều khiển góc α : Để đóng SCR cần thoả 2 điều kiện: - Điện áp khóa thuận VAK> 0 - Xung điều khiển IG > 0 Giả sử ở thời điểm V3 đang đóng ta có áp khóa thuận trên V1 : uv1 = u1 – u3 uv1 ≥ 0 khi u1 ≥ u3 ⇒ phạm vi thay đổi góc điều khiển α là 0 ≤ α ≤ π. b. Trình tự đóng ngắt: V1 , V2 , V3 c. Đồ thị phân tích: 31
7. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H2.5. Giản đồ áp và dòng bộ chỉnh lưu tia điều khiển. a. Sơ đồ nối dây b. Giản đồ ứng với góc kích α nhỏ c., d. Giản đồ ứng với góc kích α thay đổi tăng dần Bảng 2.2. Bảng ký hiệu tương đương cho H2.5 Ký hiệu trên hình Ký hiệu tương đương 32
8. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH v1, v2, v3 u1, u2, u3 Vmax Um vL, iL ud, id Vmean Ud vT1, vT2, vT3 uV1, uV2, uV3 i1, i2, i3 iV1, iV2, iV3 d. Các hệ thức : ¾ Tải: Aùp chỉnh lưu có dạng 3 xung. Tần số hài bậc 1 của áp chỉnh lưu fσ (1) = f s ⋅ p = 3⋅ f s = 150Hz - Trị trung bình áp tải: 3 α +5π / 6 3⋅ 6 U = U ⋅sin ωt ⋅ d ωt = cosα ⋅U (2.13) dα ∫ m ()() 2π α +π / 6 2π Nhận xét : Khi thay đổi góc điều khiển trong khoảng [ 0 π] thì trị trung bình áp chỉnh lưu thay đổi trong phạm vi : 3⋅ 6 3⋅ 6 0 ≤ α ≤ π ⇒ − ⋅U ≤ U ≤ ⋅U (2.14) 2 ⋅π d 2 ⋅π - Trị trung bình dòng tải : U − E I = dα (2.15) dα R ¾ Linh kiện: - Aùp ngược lớn nhất đặt trên linh kiện: U RWM = 6 ⋅U - Dòng trung bình qua linh kiện ( mỗi SCR dẫn 1/3 chu kỳ ) I I = d T ( AV ) 3 ¾ Nguồn: Trị hiệu dụng dòng nguồn I d I1 = 3 Lưu ý: 3⋅ 6 - Đặc tuyến điều khiển U ()α = ⋅ cosα ⋅U không phụ thuộc tham số tải (không d 2 ⋅π phụ thuộc giá trị cụ thể R, L, E) khi dòng tải liên tục. - Đặc tuyến tải được định nghĩa là U d (α ) = f (I d (α )) , thông số là α 4. Chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu: 33
9. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH Theo hệ thức (2.13) trị trung bình áp chỉnh lưu có thể có giá trị từ dương đến âm khi α thay đổi. Trị trung bình của dòng chỉnh lưu dương vì Thyristor chỉ cho dòng đi qua theo một chiều . Xét công suất trung bình nguồn cung cấp cho tải. P = Ud . Id , Id > 0 Nếu Ud > 0 ⇒ P > 0 : chế độ chỉnh lưu , công suất chuyển từ phía xoay chiều ⇒ phía một chiều. Nếu Ud 0, nghịch lưu khi Ud*E π /6 : Dòng tải qua V0 trong các khoảng mà áp trên tải sẽ âm nếu trong mạch không có V0. ¾Trạng 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. ¾ Trạng thái V0: V0 đóng, V1,V2, V3 ngắt 34
10. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH uv0 = ud = 0; iv0 = id uv1 = u1 ; iv1 = 0 uv2 = u2 ; iv2 = 0 uv3 = u3 ; iv3 = 0 H2.7 3. Các hệ thức : 35
11. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH 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 − ⎟ (2.16) dα ∫ m ()() ⎜ ⎜ ⎟⎟ 2π α +π / 6 2π ⎝ ⎝ 3 ⎠⎠ Phạm vi điều khiển góc α : π/6 ≤ α ≤ 5π/6 4. 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 V. BỘ CHỈNH LƯU MẠCH CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN 1. Sơ đồ mạch: id V1 V3 V5 R u1 u2 L ud u3 V4 V6 V2 E H2.8. 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 2. Giả thiết : tương tự mạch tia 3. Phân tích: 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. 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 . Giả thiết trong nhóm V1 đóng, V3,V5 ngắt uv1 = 0 ; iv1 = id 36
12. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH uv3 = u2 – u1 ; iv3 = 0 uv5 = u3 – u1 ; iv5 = 0 udA = u1 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. Như vậy ta có thể tách mạch cầu ba pha thành 2 mạch tia ba pha nhóm anode và cathode (H2.9). id u1 u2 u3 V1 V3 V5 udA udK u1 u2 u3 V4 V6 V2 id a) Chỉnh lưu tia nhóm Anode b) Chỉnh lưu tia nhóm Cathode H2.9 Do áp tải ud = udA – udk ta có thể xem BCL mạch cầu 3 pha như dạng mắc nối tiếp BCL mạch tia nhóm Anode và BCL mạch tia nhóm Cathode. Giản đồ phân tích : Khảo sát tương tự mạch tia (H2.10) 4. 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: fσ (1) = f s ⋅ p = 6 ⋅ f s = 300Hz 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 (2.17) Khi thay đổi α, ta điều khiển trị trung bình áp chỉnh lưu: 3⋅ 6 3⋅ 6 0 ≤ α ≤ π ⇔ − U ≤ U ≤ U π d π U − E - Trị trung bình dòng tải : I = dα dα R 37
13. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH ¾ Linh kiện: Aùp ngược lớn nhất trên linh kiện : U RWM = 6 ⋅U I Dòng trung bình qua linh kiện : I = d ( AV )T 3 ¾ Nguồn: Trị hiệu dụng dòng qua nguồn 2 i = i − i ⇒ I = ⋅ I 1 V1 V 4 1 3 d Bảng 2.3. Bảng ký hiệu tương đương cho H2.10 Ký hiệu trên hình Ký hiệu tương đương v1, v2, v3 u1, u2, u3 Vmax Um vL, iL ud, id Vmean Ud vT1 vT6 uV1 uV6 i1 i6 iV1 iV6 ia, ib, ic i1, i2, i3 38
14. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H2.10. Giản đồ áp và dòng bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn VI. BỘ CHỈNH LƯU MẠCH CẦU 3 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 39
15. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH 1. Sơ Đồ: H2.11. Bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển bán phần 2. 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. 3. Hệ quả : Aùp chỉnh lưu trung bình 40
16. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH ⎡3⋅ 6 ⎛ 3⋅ 6 ⎞⎤ 3⋅ 6 U = u − u = ⋅ cos α − ⎜− ⋅ cos α ⎟ ⋅U = ⋅ 1+ cos α ⋅U dα dA dK ⎢ () ⎜ ()⎟⎥ ()() ⎣⎢ 2π ⎝ 2π ⎠⎦⎥ 2π (2.18) Khi thay đổi góc kích , ta thay đổi điện áp chỉnh lưu trung bình : 3⋅ 6 0 ≤ α ≤ π ⇔ 0 ≤ U ≤ ⋅U dα 2π VII. MẠCH CẦU 1 PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN 1. Sơ đồ mạch: Tải có tính cảm Điện áp udA Điện áp udK Xung kích SCR Điện áp chỉnh lưu ud Dòng chỉnh lưu Dòng linh kiện SCR Dòng nguồn Áp linh kiện SCR H2.12. Giản đồ áp và dòng của bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn 41
17. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH Giả thiết : - Nguồn xoay chiều một pha lý tưởng u = U m sin(ωt) - 4 SCR lý tưởng - Dòng qua tải liên tục 2. Phân tích : Mạch cầu có cấu trúc tương đương 2 mạch tia 2 pha mắc nối tiếp (H2.13). Nguồn áp một pha u được phân tích thành hai nguồn xoay chiều tương đương u1 và u2 có phương trình như sau: U u = m sin()ωt ; 1 2 (2.19) U u = m sin()ωt −π 2 2 id u1 u2 V1 V3 udA udK u1 u2 V4 V2 id a) Mạch tia anode b) Mạch tia cathode H2.13 Giản đồ phân tích áp và dòng được trình bày trên H2.12 phụ thuộc góc điều khiển α. 3. Hệ quả : ¾ Tải: - Aùp chỉnh lưu trung bình : 1 α +π 2 ⋅ 2 U = U sin ωt dωt = ⋅U ⋅ cosα (2.20) dα ∫ m () π α π Phạm vi điều khiển áp tải : 2 ⋅ 2 2 ⋅ 2 0 ≤ α ≤ π ⇔ − ⋅U ≤ U ≤ ⋅U 2π d 2π - Dòng chỉnh lưu trung bình: U − E I = dα dα R ¾ Linh kiện : - - Dòng trung bình qua linh kiện : Mỗi SCR dẫn ½ chu kỳ áp lưới 42
18. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH I d I = IT(AV) (2.21) T ()AV 2 - Aùp ngược Max trên linh kiện: U RWM = 2U (2.22) ¾ Nguồn: Trị hiệu dụng dòng qua nguồn 1 α +π I = I = I dωt = I S 1 ∫ d d π α VIII. BỘ CHỈNH LƯU MẠCH CẦU 1 PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN 1. Phân loại: Ta có hai loại mạch như sau: - Mạch đối xứng ( H2.14a ) ⇔ Thay các SCR trong một nhóm bằng các diode - Mạch không đối xứng ( H2.14b ) ⇔ Thay các SCR trong 1 nhánh bằng các diode a) Cấu trúc đối xứng b) Cấu trúc không đối xứng H2.14. Sơ đồ bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần 2. Hệ quả: Nhóm linh kiện diode được xem như SCR với góc điều khiển bằng 0. Xét mạch đối xứng (H2.14a), tách mạch cầu thành hai mạch tia tương đương (H2.15). id u1 u2 V1 V3 udA udK u1 u2 V4 V2 id a) Tia Anode b) Tia Cathode H2.15 43
19. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH Tải có tính cảm áp chỉnh lưu anode áp chỉnh lưu cathode xung kích SCR áp chỉnh lưu dòng chỉnh lưu dòng qua linh kiện dòng nguồn H2.16. Trạng thái áp và dòng của bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần với cấu trúc đối xứng và diode chuyển mạch. ¾ Tải: - Aùp chỉnh lưu trung bình : 1 π 2 U = U sin ωt dωt = ⋅U ⋅ 1+ cosα (2.23) dα ∫ m () () π α π Phạm vi điều khiển áp tải : 44
20. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH 2 ⋅ 2 0 ≤ α ≤ π ⇔ 0 ≤ U ≤ ⋅U d π - Dòng chỉnh lưu trung bình: U − E I = dα dα R 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; - 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. IX. TÍNH CHẤT LIÊN TỤC CỦA DÒNG ĐIỆN TẢI VÀ HỆ QUẢ - Do áp chỉnh lưu có dạng xung nên có thể được phân tích thành 2 thành phần : ud = Udc + uac với Udc = Ud : trị trung bình áp chỉnh lưu; uac : thành phần xoay chiều. Thành phần xoay chiều áp chỉnh lưu làm dòng tải id bị nhấp nhô - Tương tự, dòng chỉnh lưu cũng có thể phân tích thành : id = Idc + iac Do thành phần xoay chiều iac , dòng tải có thể bị gián đoạn . Khi dòng gián đoạn, dạng điện áp chỉnh lưu phụ thuộc vào trạng thái mạch tải (ud = 0 nếu tải không chứa nguồn một chiều E hoặc ud = E nếu tải có chứa nguồn một chiều E). Các hệ thức Ud cho dòng liên tục không thể áp dụng được trong trường hợp này và đặc tuyến điều khiển phức tạp và không duy nhất (Ud (α) = f (α)). - Hệ quả: ƒ Khi tải bộ chỉnh lưu là động cơ điện một chiều, đối với vấn đề điều khiển dòng tải bằng 0 dẫn đến mômen tác động triệt tiêu và không thể điều khiển tải . ƒ Đặc tuyến điều khiển bị thay đổi dạng ( phi tuyến ) ƒ Hệ điều khiển khó hiệu chỉnh Vì thế, người ta cố gắng hạn chế vùng làm việc của bộ chỉnh lưu ở chế độ gián đoạn, đối với bộ chỉnh lưu có thể định mức theo chế độ dòng tải liên tục nếu không yêu cầu độ chính xác cao. X. HIỆN TƯỢNG CHUYỂN MẠCH VÀ HỆ QUẢ: 45
21. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH Trong các phần trước bộ chỉnh lưu được phân tích với giả thiết bỏ qua cảm kháng trong của nguồn áp. Vì vậy quá trình chuyển mạch (QTCM) giữa các nhánh của SCR diễn ra tức thời. 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. ƒ Xét quá trình chuyển mạch xảy ra đối với chỉnh lưu tia ba pha diode. Đó là trạng thái dòng qua một diode nào đó tăng dần và dòng qua một diode khác tắt dần. Ở đây, γ là góc chuyển mạch. H2.17. Trạng thái áp và dòng khi chuyển mạch trong chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển. ƒ Xét quá trình chuyển mạch xảy ra đối với chỉnh lưu tia ba pha SCR. Giả sử dòng đang đi qua V3 , nếu ta đóng V1 trong phạm vi góc điều khiển α sẽ xảy ra hiện tượng ngắn mạch giữa các pha chứa V1, V3 , Trên V1 có điện áp chuyển mạch là u1- u3 , dòng iv1 lập tức tăng từ 0 ⇒ Id và V3 có áp ngược là u3 - u1 , dòng iv3 lập tức giảm từ Id ⇒ 0. 46
22. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H2.18. Hiện tượng chuyển mạch trong chỉnh lưu tia ba pha điều khiển di u − L V1 = u 1 dt d di u − L V 3 = u 3 dt d iV1 + iV 3 = I d di di u − L V1 = u − L V 3 1 dt 3 dt 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 CM. Góc chuyển mạch được tính theo công thức : ⎛ 2ωL I ⎞ arccos⎜cos b d ⎟ (2.24) γ = ⎜ α − ⎟ −α ⎝ 3U m ⎠ + Khi α =0, ta có thể rút ra được góc chuyển mạch cho trường hợp chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển. XI. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN Xét mạch tạo xung kích ứng với góc điều khiển cho bộ chỉnh lưu một pha. Đặc điểm: - Điện áp thứ cấp máy biến áp giảm áp có mức điện áp 4 ÷ 5V , đồng bộ về pha với áp lưới 0 - Xung răng cưa có độ rộng bằng 180 ứng với khoảng điều khiển góc α Max - Aùp dụng cho mạch tia 1pha, 2 pha, mạch cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn, bán phần. 47
23. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H2.19. Phương pháp tạo xung kích đóng SCR theo góc điều khiển α XII. MÁY BIẾN ÁP DÙNG CHO CÁC BỘ CHỈNH LƯU 1. Công dụng: - MBA thường dùng để đạt được các điện áp chỉnh lưu có giá trị cần thiết; - Các cảm kháng của máy biến áp có tác dụng rất tốt trong quá trình chuyển mạch, chống méo dạng áp nguồn; - Cách ly áp nguồn bộ chỉnh lưu với lưới điện - Tác dụng lọc sóng hài bậc cao - Có thể tạo hệ thống nguồn xoay chiều nhiều pha cung cấp cho bộ chỉnh lưu nhiều xung 2. Trạng thái dòng điện: Qui tắc: Chỉ có thành phần xoay chiều được truyền từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp theo quy luật hình sin Dòng điện pha cuộn thứ cấp iS1 = iv1, iS2 = iv2 , is3 = iv3 Phân tích: Sơ đồ mạch: ∆ / Υ iS = IS( AV ) + iSσ Sức từ động tổng tạo thành bởi thành phần xoay chiều của dòng điện pha cuộn thứ cấp và của dòng điện pha cuộn sơ cấp trên một cột MBA bằng 0: Np . ip = Ns . isσ Is ( AV ) = Id/3 ( L → ∞ ) Np = Ns ⇒ i1sσ = i1s – Id/3 = i1p i 2sσ = i2s – Id/3 = i2p i 3sσ = i3s – Id/3 = i3p 48
24. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH Dòng tiêu thụ từ lưới i1L = i3p – i1p i2L = i1p – i2p i3L = i2p – i3p i1L i2L i3L i1P i2P i3P i1S i2S i3S TẢI ud V1 V2 V3 id H2.20 - Xét trường hợp máy biến áp mắc dạng Y/Y , lúc đó iiL = i1p - Xét mạch cầu đơn giản hơn vì Is( AV ) = 0. 3. Công suất biểu kiến: Công suất định mức cho MBA cho bởi hệ thức S p + S s S = = K .P tN 2 t dN với Sp : Công suất định mức cuộn sơ cấp Ss: Công suất định mức cuộn thứ cấp PdN: Công suất tiêu thụ định mức DC của tải Kt : Công suất định mức tương đối ( hệ số sử dụng ) Cho bộ chỉnh lưu 3 xung ( với MBA mắc ∆ /Υ ) Trị hiệu dụng dòng pha cuộn thứ cấp 1 2π / 3 I I = I 2 dωtt = d SN ∫ d 2π 0 3 Trị hiệu dụng dòng pha cuộn sơ cấp 49
25. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH 2 2 1 1 2ππ/ 3 ⎛ 2I ⎞ 2 ⎛ I ⎞ I 1 I = ( d dωt + d dωt) = 2. d . pN ∫∫⎜ ⎟ ⎜ ⎟ K 2π 0 ⎝ 3 ⎠ 2π / 3 ⎝ 3 ⎠ 3 K + K = 1 : tỷ số máy biến áp bằng 1 I + K≠ 1 : I = s p K Với dòng tải định mức IdN , ta có S s = 3U s I sN = 3.U s .I dN S p = 3U p I pN = 2.U p .I dN 3 6 Ta có: U = .U d 2π Giả sử Np = Ns ⇒ Up = Us = U (UP = K.US) 2πU d .I d 2π S = 0 N = P s 3 3 dN 2πU .I 2π S = d 0 d N = P p 3 3 3 3 dN S s + S p ⇒ S = = K .P =1.35P TN 2 t dN dN XIII. BỘ CHỈNH LƯU KÉP 1. 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. 2. Bộ chỉnh lưu kép một pha với phương pháp điều khiển đối xứ ng 50
26. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H2.21. Bộ chỉnh lưu kép mạch cầu một pha - α1 góc điều khiển bộ chỉnh lưu I và α2 : góc điều khiển bộ chỉnh lưu II 51
27. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH - ⎢Udc1 ⎢ = ⎢Udc2 ⎢ , ud1 + ud2 ≤ 0 Xét trường hợp = 0 2 2 U = ⋅U ⋅ cosα ; dc1 π 1 2 2 U = ⋅U ⋅ cosα dc2 π 2 U dc1 = −U dc2 ⇒ Cosα1 = - Cosα2 = - Cos ( π - α 1 ) ⇒ α 2 = ( π - α 1 ) - Suy ra 1 BCL làm việc ở chế độ chỉnh lưu , 1 BCL còn lại làm việc ở chế độ nghịch lưu - Nếu trị tức thời của áp ra của BCL là V01 và V02 khác nhau , hiệu điện thế của chúng có giá trị Vr = V01 – V02 sẽ tạo nên dòng cân bằng có giá trị lớn chạy trong các bộ chỉnh lưu . Dòng cân bằng không đi qua tải và thường được giới hạn bằng cảm kháng Lr . - Giá trị dòng cân bằng phụ thuộc vào góc điều khiển: 2U 1 ωt i = m (cosωt − cosα ) (= (V −V )dωt) r ωL 1 ωL ∫ 01 02 r r 2π −α1 - 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 ¾ 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 ¾ 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) Phương pháp dòng cân bằng còn được phân loại như sau: o Phương pháp đối xứng: α1 + α2 = π o Phương pháp không đối xứng α1 + α2 > π 3. Bộ chỉnh lưu kép cầu ba pha với phương pháp điều khiển đối xứ ng: Sơ đồ mạch, trạng thái áp được trình bày trên H2.22 52
28. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH H2.22. Bộ chỉnh lưu kép mạch cầu ba pha 53
29. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH Ví dụ 2.1: Cho bộ chỉnh lưu tia ba pha điều khiển. Aùp nguồn xoay chiều ba pha với trị hiệu dụng áp pha bằng 220V, tần số 50Hz. Tải RLE với R=5Ω, E=100V và L có giá trị đủ lớn để dòng tải liên tục và phẳng. Góc điều khiển bộ chỉnh lưu α = 300. V1 V2 V3 R5 a) Vẽ chính xác giản đồ áp tải ứng với góc điều khiển cho như trên (1đ); L b) Tính trị trung bình áp chỉnh lưu (0.5đ); u1 u2 u3 c) Tính trị trung bình dòng chỉnh lưu (0.5đ); E 100V d) Tính hệ số công suất nguồn (1đ). Ví dụ 2.2: Cho bộ chỉnh lưu tia ba pha điều khiển với diode V0 (diode hoàn năng lượng). Aùp nguồn xoay chiều ba pha có trị hiệu dụng Upha=220V, 50Hz. Tải R=1Ω, E=50V và L có giá trị đủ lớn để dòng tải liên tục và phẳng. 1. Góc điều khiển SCR α = 450. 1.1. Hãy vẽ giản đồ ud và id ứng với góc điều khiển đã cho; 1.2. Tính trị trung bình áp và dòng chỉnh lưu Ud và Id; R V1 V2 V3 1.3. Vẽ giản đồ dòng qua các linh kiện Thyristor và diode; V0 1.4. Định mức linh kiện Thyristor nếu biết hệ số L u1 u2 u3 an toàn áp và dòng Ku=2.5; Ki=1.2; 1.5. Tính hệ số công suất nguồn bộ chỉnh lưu, E 2. Điều khiển góc kích sao cho áp chỉnh lưu trung bình có giá trị 80V. 2.1. Tính góc kích α, [rad]; 2.2. Vẽ giản đồ áp chỉnh lưu và dòng chỉnh lưu; 2.3. Xác định linh kiện dẫn điện ở thời điểm ωt=4pi/3; 2.4. Tính hệ số công suất nguồn. 3. Góc điều khiển được xác định bằng giao của áp điều khiển một chiều uđk với áp đồng bộ dạng răng cưa up. Giả thiết áp răng cưa có biên độ UpM = - 6V. 3.1.Vẽ giản đồ áp điều khiển uđk và áp răng cưa up ứng với góc điều khiển α=pi/6. 3.2. Xác định giá trị áp điều khiển uđk trong trường hợp này. Ví dụ 2.3 : Cho bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn . Aùp nguồn xoay chiều ba pha lý tưởng có trị hiệu dụng áp pha U=220V, 50Hz. Tải R=10Ω, E=100V và L có giá trị đủ lớn để dòng tải liên tục và phẳng. Góc điều khiển α được điều chỉnh sao cho trị trung bình dòng chỉnh 54
30. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH lưu Id = ½ Idmax (Idmax – giá trị lớn nhất của dòng chỉnh lưu trung bình khi điều khiển góc kích α). Xét mạch ở xác lập. id V1 V3 V5 R u1 u2 L ud u3 V4 V6 V2 E 1. Xác định góc điều khiển α Với giá trị góc điều khiển đã tính được trong câu 1) : 2. Hãy vẽ giản đồ áp chỉnh lưu ud và dòng chỉnh lưu id, 3. Tính trị trung bình Ud và Id 4. Tính trị trung bình dòng qua linh kiện và áp ngược lớn nhất đặt trên linh kiện 5. Tính hệ số công suất nguồn bộ chỉnh lưu. Ví dụ 2.4 : Cho bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển bán phần. Aùp nguồn xoay chiều ba pha lý tưởng có trị hiệu dụng áp pha U=220V, 50Hz. Tải R=10Ω, E=100V và L có giá trị đủ lớn để dòng tải liên tục và phẳng. Góc điều khiển α được điều chỉnh sao cho trị trung bình dòng chỉnh lưu Id = 2/3 Idmax (Idmax – giá trị lớn nhất của dòng chỉnh lưu trung bình khi điều khiển góc kích α). Xét mạch ở xác lập. id V1 V3 V5 R u1 u2 L ud u3 V4 V6 V2 E 1. Xác định góc điều khiển α Với giá trị góc điều khiển đã tính được trong câu 1) : 2. Hãy vẽ giản đồ áp chỉnh lưu ud và dòng chỉnh lưu id, 3. Tính trị trung bình Ud và Id 4. Tính trị trung bình dòng qua linh kiện và áp ngược lớn nhất đặt trên linh kiện 5. Tính hệ số công suất nguồn bộ chỉnh lưu. 55
31. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH Ví dụ 2.5 : Cho bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn . Aùp nguồn xoay chiều có trị hiệu dụng U=220V, 50Hz. Tải R=2Ω, E=40V và L có giá trị đủ lớn để dòng tải liên tục và phẳng. Góc điều khiển α = 450. 1.Hãy vẽ giản đồ ud và id ứng với góc điều khiển đã cho; 2.Tính trị trung bình áp và dòng chỉnh lưu V1 V3 R Ud và Id; 3.Tìm áp ngược lớn nhất đặt trên linh kiện u L và trị trung bình dòng qua linh kiện ứng với góc điều khiển đã cho; E 4.Tính trị hiệu dụng dòng nguồn và hệ số V4 V2 công suất nguồn bộ chỉnh lưu, 5.Góc điều khiển được xác định bằng giao của áp điều khiển một chiều uđk với áp đồng bộ dạng răng cưa up. Giả thiết áp răng cưa có biên độ UpM = ± 6V. 0 5.1.Vẽ giản đồ áp điều khiển uđk và áp răng cưa up ứng với góc điều khiển α=45 . 5.2.Xác định giá trị áp điều khiển uđk trong trường hợp này. Ví dụ 2.6 : Cho bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần. Aùp nguồn xoay chiều một pha có phương trình u = 220 2 sin 314t , [V]. Tải R=10Ω, E=50V và L có giá trị đủ lớn để dòng tải liên tục và phẳng. 1. Vẽ sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu nói trên và vẽ đặc tuyến điều khiển điện áp chỉnh lưu phụ thuộc góc điều khiển α, 2. Tính giá trị góc điều khiển α để dòng tải cực đại và tính giá trị dòng tải cực đại này Giả sử góc điều khiển α = 300, 3. Hãy vẽ giản đồ ud và id, 4. Tính trị trung bình Ud và Id 5. Định mức linh kiện nếu hệ số an toàn áp Ku =3, hệ số an toàn về dòng Ki =1.5 6. Tính hệ số công suất nguồn bộ chỉnh lưu, 7. Aùp đồng bộ răng cưa có biên độ 6V. Tính giá trị uđk Ví dụ 2.7 Cho bộ chỉnh lưu kép mạch cầu một pha điều khiển hoàn toàn với phương pháp điều khiển đồng thời và đối xứng (α1 + α2 = π) . Aùp nguồn xoay chiều một pha lý tưởng có trị hiệu dụng áp pha U=220V, 50Hz. để dòng tải liên tục và phẳng ở xác lập. Cuộn kháng cân bằng có 0 giá trị Lr = 100mH. Góc điều khiển bộ chỉnh lưu thứ nhất α1 = 60 . Góc điều khiển bộ chỉnh lưu 0 thứ hai α2 = 120 . Xét mạch ở xác lập. 56
32. ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH Lr/2 Lr/2 V1 V3 id V2' V4' R u L ud1 ud2 u V4 V2 V3' V1' E Bộ chỉnh lưu 1 Bộ chỉnh lưu 2 1. Hãy vẽ giản đồ áp chỉnh lưu ud1 và ud2 ứng với góc điều khiển đã cho; 2. Tính trị trung bình Ud và Id, 3. Vẽ giản đồ dòng cân bằng ứng với góc điều khiển đã cho, 57