Các bộ biến đổi công suất trong truyền động điện

THIẾT BỊ ĐIỀU
KHIỂN VÀ MÁY ĐIỆN
Chương 3: Các bộ biến đổi
công suất trong truyền
động điện
Trao đổi trực tuyến tại:
/>Nội dung chính:
1. Mạch chỉnh lưu
2. Các bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều
3. Bộ điều chỉnh xung điện áp 1 chiều
4. Biến tần và nghịch lưu độc lập
5. Mô tả toán học chỉnh lưu có điều khiển
6. Bộ băm xung điện áp 1 chiều
7. Mô tả toán học bộ biến đổi tần số
3.1 Khái niệm chung
- Bộ biến đổi(BBĐ): Là thiết bị điện-điện tử dùng biến đổi và
điều khiển năng lượng điện sao cho phù hợp với yêu cầu
phụ tải.
- Truyền động điện ứng dụng rộng rãi các BBĐ loại này
nhiều nhất trong điều chỉnh tốc độ động cơ
- Phần tử cơ bản chủ yếu của mạch BBĐ là diot, tiristor,
transitor, triac, GTO, transitor MOSFET, IGBT
Nội dung chính:
1. Mạch chỉnh lưu
2. Các bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều
3. Bộ điều chỉnh xung điện áp 1 chiều
4. Biến tần và nghịch lưu độc lập
5. Mô tả toán học chỉnh lưu có điều khiển
6. Bộ băm xung điện áp 1 chiều
7. Mô tả toán học bộ biến đổi tần số
3.2 Mạch chỉnh lưu

- Khái niệm: là quá trình biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng
điện 1 chiều, được chia làm 3 loại:
- Chỉnh lưu 0 điều khiển(Diot)
- Chỉnh lưu bán điều khiển(Diot + Tiristo)
- Chỉnh lưu điều khiển(Tiristo)
- Khi phân tích mạch chỉnh lưu cần quan tâm:
- Phía tải: giá trị trung bình của điện áp và dòng 1 chiều I
d
, U
d
thì công
suất P
d
= I
d
.U
d
- Tham số chọn van bán dẫn, dòng trung bình qua van và U ngược max
- Phía nguồn: công suất máy biến áp
- U
i
, I
i
, U
2i
, I
2i
: giá trị hiệu dụng dòng, áp trên cuộn sơ cấp, thứ cấp
- K
sd

: hệ số chỉnh lưu của sơ đồ.
dsd
n
i
iiba
PKIUIU
pp
S 




)(
2
1
2
1
2211
21
1. Chỉnh lưu không điều khiển:
- Loại này chỉ cho ra điện áp 1 chiều cố định về giá trị,
thường dùng cho phần kích từ động cơ, máy phát tốc
hoặc cho các khâu khống chế điều khiển
- Được chia làm 2 nhóm
- Nhóm Anot chung
- Nhóm Katot chung
- Lưu ý xem lại luật dẫn các van
- Mạch chỉnh lưu chỉ có 1 nhóm van A chung hoặc K
chung gọi là chỉnh lưu hình tia còn lại gọi là chỉnh lưu
cầu

3.2 Mạch chỉnh lưu
3.2 Mạch chỉnh lưu
2. Chỉnh lưu có điều khiển:
- Được dùng nhiều trong truyền động điện. Sơ đồ cầu đấu được
trực tiếp vào lưới điện.
- Chế độ dòng gián đoạn
- Chế độ dòng liên tục
- Vẽ sơ đồ dòng và áp ở đầu ra của mạch chỉnh lưu
3.2 Mạch chỉnh lưu
3. Quá trình chuyển mạch với La <>0
- Trong thực tế sử dụng điện cảm của các cuộn dây trên biến áp
nguồn là đáng kể La ≠ 0
- Do tính chất cản trở sự biến thiên của dòng điện nên khi van V
2
đã mở nhưng dòng I
v2
không đột biến từ 0 ->I
d
cũng như I
v1
không giảm ngay về 0 mà sẽ tồn tại thêm 1 khoảng tgian γ mà
ở đó diễn ra sự chuyển dòng từ van V
1
sang van V
2
. khi đó gọi
là trùng dẫn, i
d
= i
v1

+ i
v2
.
- Quy luật biến thiên điện áp:
- Khi 2 van đều dẫn ta có:
U
dn
L
a
L
a
U
1
U
2
i
V
1
V
2
I
1
I
d
I
2
3. Quá trình chuyển mạch với La <>0
- Trong giai đoạn trùng dẫn, giả thiết I
d
= const thì

Nên ta có: U
dn
=(U
1
+ U
2
)/2. Tức U
d
biến thiên theo quy luật bình
quân các van tham gia trùng dẫn.
- Quy luật biến thiên dòng điện:
n: số đập mạch của điện áp chỉnh lưu.
0
21

dt
di
dt
di







d
dn
iii
dt

di
dt
di
LUUU
21
21
21
)(












LX
n
UU
X
U
ii
X
U
IiII
mM

M
M
dd
.);sin(2
))cos((cos
2
))cos((cos
2
2
2
1




3. Quá trình chuyển mạch với La <>0
- Sụt áp do trùng dẫn: nếu so sánh với trường hợp không
có trùng dẫn thì khi có La điện áp U
d
bị giảm một lượng
- Sơ đồ cầu 1 pha có 4 van dẫn nên:
- Sơ đồ cầu 3 pha có 6 van dẫn nên:
aa
da
M
da
M
LX
n
IX

U
IX
n
U
U
.
2
2
.
4







da
IX
U
2



da
IX
U
3

4. Chỉnh lưu bán điều khiển

- Mạch chỉnh lưu sẽ gồm một nửa là tiristor còn lại là diot.
- Thường tiristo được mắc chung katot để giảm bớt dây điều khiển
trong toàn bộ dải điều chỉnh 0 << 180 điện áp chỉnh lưu thay
đổi theo quy luật
- Khi 0 << 60 U
d
luôn dương
- Khi 60 << 180 U
d
xuất hiện các khoảng =0 còn dòng điện thì
với tải là thuần trở dòng điện =0 và chế độ dòng là gián đoạn
2
cos1
.
0




dd
UU
4. Chỉnh lưu bán điều khiển
- Với tải có tính cảm kháng thì dòng điện là liên tục. Khi giá trị
của L lớn sẽ làm giảm phạm vi điều chỉnh  do không thể khóa
hết tiristo ngay mặc dù đã ngắt xung điều khiển.
- Được dùng rộng rãi ở hệ không đảo chiều, phần kích từ và các
thông số khác không đòi hỏi phạm vi điều chỉnh rộng.
5. Chế độ nghịch lưu phụ thuộc
- Kn: Nghịch lưu là quá trình chuyển năng lượng từ phía dòng 1
chiều sang phía dòng xoay chiều, khi đó động cơ trở thành máy

phát điện, bộ chỉnh lưu chuyển sang hoạt động ở chế độ nghịch
lưu, vì nó hoạt động đồng bộ theo nguồn dòng xoay chiều nên
gọi là nghịch lưu phụ thuộc. Khi đó mạch có 2 nguồn sức điện
động là e
t
của lưới xoay chiều và E
d
một chiều.
- Để có chế độ nghịch lưu cần có 2 điều kiện:
- Phía nguồn 1 chiều phải chuyển đổi chiều của E
d
để có chiều dòng E
d
và E
d
là trùng nhau
- Phía xoay chiều điều khiển mạch chỉnh lưu sao cho điện áp U
d
< 0.
- Ta có do vậy với tải thuần trở, chỉnh lưu
bán điều khiển không chạy được chế độ
nghịch lưu vì U
d
luôn dương. Chỉ có các bộ chỉnh lưu điều
khiển hoàn toàn làm việc với dòng điện liên tục có quy luật
U
d
= U
d0
.cos mới cho phép điều chỉnh U

d
< 0 khi  > 90
o
2
cos1
.
0




dd
UU
6. Các chế độ chỉnh lưu đảo chiều
- Các bộ chỉnh lưu đảo chiều thường dùng cho động cơ điện 1
chiều cần quay theo cả 2 chiều với chế độ làm việc ở cả 4 góc
điều chỉnh. Có thể đảo chiều động cơ bằng 1 số cách sau:
- Đảo dấu điện áp đặt vào phần ứng động cơ nhờ 2 mạch chỉnh lưu*
- Đảo chiều kích từ
- Đảo chiều phần ứng động cơ bằng công tắc thuận và ngược
- Để đấu 2 mạch chỉnh lưu cấp ra 1 tải điều khiển có 2 cách là đấu
chéo và đấu song song.
- Có 2 phương pháp điều khiển đảm bảo mạch hoạt động bình
thường là phương pháp điều khiển chung và điều khiển riêng.
1. Phương pháp điều khiển chung:
Cả 2 mạch đều đc phát xung điều khiển nhưng luôn khác nhau về
chế độ, 1 mạch ở chế độ chỉnh lưu còn 1 mạch ở chế độ nghịch
lưu và ngược lại
6. Các chế độ chỉnh lưu đảo chiều
Giá trị điện áp: U

dI
= - U
dII
Với dòng liên tục ta có U
dI
= U
d0
cosI; U
dII
= U
d0
cosII
Do vậy I + II = 180
0
6. Các chế độ chỉnh lưu đảo chiều
- Cho phép điều chỉnh nhanh.
- Chức năng cuộn Lcb
2. Phương pháp điều khiển riêng:
- Khi đó 2 mạch hoạt động riêng biệt mạch này được phát xung
điều khiển thì mạch kia nghỉ hoàn toàn(bị ngắt xung điều
khiển). Trong quá trình điều khiển cần trễ vài ms để mạch
phục hồi trạng thái khóa
- Khối logic đảo chiều.
7. Đặc tính ngoài của mạch chỉnh lưu
- Là quan hệ giữa U
d
và I
d
(U
d0

là điện áp ra 0 tải)
- Với U
d
là chỉ sự phụ thuộc của U
d
vào góc điều khiển 
- U là tổng các sụt áp gồm có sụt áp trên các van chỉnh lưu
U
v
, do điện trở phía nguồn điện U
r
, do trùng dẫn U
γ
, do
điện cảm phía xoay chiều…
- Ngoài ra nó cũng phụ thuộc vào dòng tải:

 UUU
dd

d
a
vddd
I
n
X
RUUIU )
/2
()(




Nội dung chính:
1. Mạch chỉnh lưu
2. Các bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều
3. Bộ điều chỉnh xung điện áp 1 chiều
4. Biến tần và nghịch lưu độc lập
5. Mô tả toán học chỉnh lưu có điều khiển
6. Bộ băm xung điện áp 1 chiều
7. Mô tả toán học bộ biến đổi tần số
3.3 Các bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều
- Dùng để biến đổi điện áp xoay chiều sử dụng loại van triac
(tương đương 2 tiristo đấu song song ngược) cho phép dẫn
dòng cả 2 chiều
- Điện áp xoay chiều có 2 dạng ứng dụng chính
1. Dạng công tắc tơ: đóng cắt dòng điện vào ra tảidùng cho
động cơ có tần số đóng cắt lớn, vì có tác động nhanh và bền.
2. Điều chỉnh điện áp bằng góc  làm thay đổi điện áp ra từ 0
tới bằng nguồn (ít ứng dụng hơn)
3.3.1 điều chỉnh điện áp xoay chiều 1 pha
- Xét mạch thông dụng nhất:
A: Phạm vi điều chỉnh:
1.  >  : các van có xung điều
khiển khi U
AK<
<0 nên 0 dẫn.
Điện áp ra = 0.
2. Khi  ≤  thì ở θ =  phát xung mở T
1
, ở θ =  +  phát xung

mở T. dạng dòng và áp ra
- Nếu giảm  thì góc dẫn  tăng lên. Khi =  thì dòng điện sẽ liên
tục và điện áp bằng điện áp nguồn. Để thay đổi điện áp ra ta cho
 thay đổi trong khoảng φ ≤  ≤  với
B: sóng hài tải điện áp (tham khảo thêm )
)(
R
L
arctg



3.3.2 điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha
- Xét 1 sơ đồ điện áp xoay chiều 3 pha như hình vẽ sau
1. Vùng làm việc
- Khi làm việc các van sẽ được
phát xung mở từ T1 tới T6 cách
nhau 60
0
để đảm bảo sau 1 chu
kỳ 360
0
thì quá trình sẽ lặp lại
tại mỗi thời điểm t bất kỳ có 3
trường hợp
1. Mỗi pha có 1 van dẫn
=> U tải = U nguồn
1. Có 2 van dẫn ở 2 pha: 1 pha tải bị ngắt khỏi nguồn, 2 pha tải còn
lại chia nhau điện áp dây
2. Không có van nào dẫn: tải bị ngắt khỏi lưới

3.3.2 điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha
Các pha trên phụ thuộc vào góc điều khiển  và góc φ của
tải
a) < φ tải nhận đủ điện áp
b)φ <  < 
gh
trong 1 chu kỳ sẽ xen kẽ những giai đoạn 2
hoặc 3 van dẫn trong đó 
gh
được xác định theo biểu thức:
với Q=L/R
Q
Q
ghgh
e
e
3
3
2
21
)sin()
3
4
sin(











3.3.2 điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha
2. Các biểu thức tính toán
- Coi mạch trên là 1 hệ 3 pha đối xứng với điện áp nguồn có trị
hiệu dụng là U. Biểu thức dòng và điện áp pha lệch nhau 120
0
- Tuy nhiên trong mỗi khoảng khác nhau của góc điều khiển 
thì giá trị của dòng và áp lại có giá trị và góc lệch pha khác
(xem thêm trong sách tham khảo – pg 176)
)()
3
5
(
)()
3
4
();()(
)()
3
2
();()
3
(












CC
BAAA
CABA
ii
iiii
iiii



Nội dung chính:
1. Mạch chỉnh lưu
2. Các bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều
3. Bộ điều chỉnh xung điện áp 1 chiều
4. Biến tần và nghịch lưu độc lập
5. Mô tả toán học chỉnh lưu có điều khiển
6. Bộ băm xung điện áp 1 chiều
7. Mô tả toán học bộ biến đổi tần số