chuong 3.Bo Bien Doi ppsx

Chương III
BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU
3.1. Khái niệm chung.
3.2. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều một pha.
3.3. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều ba pha.
3.4. Mạch tạo xung điều khiển.
3.4.1. Các mạch điều khiển đơn giản.
3.4.2. Áp dụng các phương pháp tạo xung điều khiển của bộ biến đổi điện
áp xoay chiều thành 1 chiều để tạo xung điều khiển cho bộ biến đổi điện áp
xoay chiều.
3.5. Bảo vệ bộ biến đổi điện áp xoay chiều.
CHƯƠNG III
BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU
3.1. Khái niệm chung.
Trong kỹ thuật điện có nhiều trường hợp cần phải biến đổi một điện áp
xoay chiều giá trị không đổi thành điện áp xoay chiều có giá trị điều chỉnh
được . Để biến đổi một điện áp xoay chiều thành điện áp xoay chiều cùng
tần số nhưng có giá trị khác thì phổ biến nhất là dùng máy biến áp . Máy
biến áp có ưu điểm là kết cấu ngắn gọn , làm việc tin cậy ,độ bền cao và nếu
điện nguồn có dạng hình sin thì điện áp ra cũng có dạng hình sin . Tuy vậy
máy biến áp cũng có nhược điểm là khó thực hiện thay đổi trơn điện áp ra ,
nhất là trong trường hợp công suất trung bình và lớn , điều này cũng hạn chế
khả năng sử dụng máy biến áp trong một số trường hợp . Khi yêu cầu điều
chỉnh trơn điện áp ra trong phạm vi rộng , đặc biệt là khi công suất trung
bình và lớn thì người ta sử dụng một BBĐ khác được gọi là BBĐ xoay chiều
– xoay chiều hay BBĐ điện áp pha. BBĐ xoay chiều – xoay chiều là thiết bị
biến đổi điện năng sử dụng các dụng cụ bán dẫn có điều khiển. Nguyên tắc
hoạt động của bộ biến đổi là sử dụng tính chất có điều khiển của các dụng cụ
bán dẫn để cắt đi một phần trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp nguồn xoay
chiều hìng sin làm cho điện áp ra có giá trị hiệu dụng nhỏ hơn điện áp
nguồn. BBĐ này có ưu điểm là kết cấu cũng gọn nhẹ, hiệu suất cao, làm việc

tin cậy, có khả năng điều chỉnh trơn điện áp ra trong phạm vi rộng với mọi
cấp công suất. Nhưng BBĐ này cũng có một số nhược điểm là độ tin cậy
không bằng máy biến áp, thiết bị diều khiển tương đối phức tạp, bị hạn chế
về cơng suất do chịu dòng và áp của các dụng cụ bán dẫn bị giới hạn, và đặc
biệt là khi điện áp nguồn hình sin thì điện áp ra khơng còn khơng còn dạng
hình sin nữa.
Các BBĐ xoay chiều – xoay chiều được ứng dụng trong một số trưừng
hợp như sau:
- Để điều khiển tốc độ của các động xoay chiều khơng đồng bộ cơng
suất nhỏ bằng phương pháp thay đổi điện áp nguồn cung cấp cho
mạch stato của động cơ.
- Khởi động các động cơ xoay chiều khơng đồng bộ roto lồng xóc
cơng suất trung bình và lớn.
- Cung cấp cho cuộn sơ cấp của máy biến áp tăng áp khi có u cầu
điều chỉnh trơn điện áp ra, vì dụ máy biến áp cung cấp cho bộ nắn
điện cao áp cấp cho lò tần số dùng đèn phát điện tử loại 3 cực.
3.2. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều một pha.
Trường hợp tải thuần trở: Hình 3.1

Mạch gồm nguồn điện áp xoay chiều một pha dạng sin U=Um.sinωt
mắc nối tiếp với tải R thông qua công tắc xoay chiều bán dẫn. Công tắc
xoay chiều gồm hai thyristor mắc đối song V1 và V2 và trong trường hợp
công suất nhỏ có thể thay thế chúng bằng một triac.
Phân tích mạch (xem hình H3.2)
Trong khoảng góc (0,α), dòng qua tải bò ngắt, ta có:
t
I
= 0 ,
t
U

= 0
Trên thyristor V1 xuất hiện điện áp khóa vì
1v
U
= U –
t
U
= U> 0
Tại thời điểm ứng với góc X = α, xung kích IG1 đưa vào cổng điều khiển
của V1 trong điều kiện có áp khóa làm V1 đóng. Dòng điện khép kín qua
mạch (u,V1 , R)- trạng thái V1. Các phương trình mô tả trạng thái V1 trong
thời gian V1 dẫn ( α ≤ X < π )
1v
U
= 0 = -
2v
U
Iv1 = it; iv2= 0

t
U
= -
1v
U
+ U = U = UmsinX
ut= R.it
Tại X = π, dòng qua V1 triệt tiêu. Lúc đo,ù dòng điện tải bằng không và
ta có trạng thái 0 : Các phương trình mô tả trạng thái 0:

t

I
=
1v
U
=
2v
U
= 0

1v
U
= u - R.it= u

2v
U
= -U
Điện áp đặt lên V2 trong khoảng thời gian ứng với X > π có giá trò dương -
điện áp khóa, nên việc kích vào cổng điều khiển của V2 trong khoảng (π
+ α < X < 2π ) sẽ làm V2 đóng. Các phương trình mô tả trạng thái V2 :

Tại vò trí X = 2π, dòng qua V2 triệt tiêu nên V2 bò ngắt. Mạch trở về trạng
thái 0.

Khi góc điều khiển α thay đổi trong phạm vi ( 0, π), điện áp
tải có trò hiệu dụng biến thiên trong khoảng ( 0, U). Đồ thò biểu diễn trò
hiệu dụng U theo góc điều khiển α được vẽ trên hình H3.3
Trò hiệu dụng dòng điện qua tải:
* Trường hợp tải L:
Ta phân biệt hai trường hợp góc điều khiển α:
Trạng thái 0 : Trong khoảng trước vò trí góc kích α dòng tải bò gián

đoạn. Các phương trình và hệ thức mô tả trạng thái không có dòng điện:

Trạng thái V1 (α < X < 2π - α): Tại vò trí X = α, V1 được kích trong lúc có
tác dụng của điện áp khóa nên đóng. Dòng điện dẫn khép kín qua mạch
(u, V1, L). Trạng thái mạch điện được biểu diễn bởi hệ thức và phương
trình sau:

Từ điều kiện ban đầu it(α) = 0 và giải phương trình dòng điện ta thu
được nghiệm

Dòng điện có độ lớn tăng từ 0 đến cực đại rồi giảm về 0 tại vò trí
X = 2π- α. Do iv1 = it nên tại vò trí vừa nêu trên, dòng qua V1 cũng bò
ngắt.Trạng thái 0- khoảng (2π - α < X < π + α): Sau khi dòng qua V1 bò
ngắt, mạch trở lại trạng thái không dẫn điện, các phương trình mô tả
mạch điện:

Trạng thái V2 - khoảng (π + α < X < 3π - α): Tại vò trí X= α + π, xung kích
đưa vào V2 trong lúc V2 chòu tác dụng điện áp khóa nên V2 đóng. Dòng
điện khép kín qua mạch (u, V2, L). Các phương trình và hệ thức mô tả
trạng thái V2:

Giải phương trình dòng điện và để ý rằng it ( π+α) = 0, ta được nghiệm
dòng điện tải:
Dòng qua tải và qua V2 có độ lớn tăng từ 0 đến cực đại rồi giảm về 0 .
Tại đây, V2 bò ngắt. Mạch trở về trạng thái 0:

Hệ quả: Đối với tải L và góc điều khiển
πα
π
<<

2
ta có:
1/- Dòng qua tải bò gián đoạn.
2/- Trò hiệu dụng điện áp trên tải có thể dẫn giải từ hình H3.4
3/- Trò hiệu dụng dòng điện qua tải:

Trong ứng dụng với tải L, thành phần hài cơ bản dòng điện có ý nghóa
quan trọng:

Mạch họat động như một tải L điều chỉnh với cảm kháng là hàm phụ
thuộc góc kích:

b/- Góc điều khiển
2
π
α
<
Điện áp tải không thể điều khiển được nữa. Mạch bộ biến đổi điện áp
xoay chiều hoạt động như một công tắc ở trạng thái luôn đóng. Các linh
kiện V1 và V2 lần lượt dẫn điện với khỏang dẫn của mỗi linh kiện bằng
dòng điện qua tải liên tục. Nếu bắt đầu đưa xung kích π vào linh kiện từ
vò trí
2
π
α
<
dòng điện lệch pha so với điện áp một góc
2
π
ϕ

<
Xung kích
cần tạo thành dưới dạng chuỗi xung bắt đầu tại vò trí góc α và kết thúc
tại cuối nửa chu kỳ tương ứng của áp nguồn xoay chiều .
Chẳng hạn, khi dòng tải qua V1 giảm đến 0. V1 bò ngắt. Tại vò trí này
trên V2 xuất hiện điện áp khóa. Do có xung kích tác dụng nên V2 đóng và
dẫn dòng điện qua tải theo chiều ngược lại. Do đó, dòng điện tải đổi dấu
và qua điểm 0 một cách liên tục .
Hệ quả: Với tải L, khi
2
π
α
<
, bộ biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động
như công tắc ở trạng thái đóng và điện áp trên tải bằng áp nguồn xoay
chiều.
Đặc tính Ut(α) cho trường hợp tải L được vẽ trên hình H3.3
Trường hợp tải RL (hình H3.5): Tương tự như trường hơp tải L, việc
phân tích hoạt động mạch điện phụ thuộc vào góc điều khiển α. Giá trò
phân biệt
2
π
ở trường hợp tải L được thay bằng độ lớn gócϕ trong trường
hợp tải RL, ϕ = arctg(ωL/R).
Trường hợp α > ϕ - dòng điện tải bò gián đoạn. chu kỳ hoạt động được
chia làm 4 khoảng tương ứng 4 trạng thái sau:
Trạng thái 0: mạch không dẫn điện và áp khóa tác dụng lên V1
It = 0 ;Uv2 = 0
Iv1 = 0 ; Iv2 = 0
Uv1 = - Uv2 =U > 0

Trạng thái V1 : V1 được kích dẫn

Trạng thái 0 : mạch không dẫn điện và điện áp khóa tác dụng lên V2 :
It = 0 ; Ut = 0
Iv1 = 0 ; Iv2 = 0
Uv1 = - Uv2 = Uv2< 0
Trạng thái V2 : V2 được kích dẫn
Uv1 = - Uv2 = 0
Iv2 = - I ; Ut =U
Ut = R.It + L
dt
di
Nghiệm dòng điện, ví dụ trong khoảng V1 dẫn có dạng
Dòng điện qua tải bò gián đoạn
Trường hợp α< ϕ - dòng tải liên tục. Điện áp tải không điều khiển được.
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động như công tắc ở trạng thái luôn
đóng. Điện áp tải bằng áp nguồn xoay chiều có tròï hiệu dụng bằng U.
Xung kích cho linh kiện được cho dưới dạng chuỗi xung, bắt đầu từ vò trí
góc điều khiển đến khi kết thúc nửa chu kỳ tương ứng của áp nguồn xoay
chiều.
Đặc tính Ut(α) –xem hình H3.5: phụ thuộc vào các tham số RL mạch tải,
thay đổi giữặc tính tải thuần điện trở và tải thuần cảm L.
Tính chất tương tự khi họat động với các tải R,L,RL được trình bày ngắn
gọn trong bảngs o sánh B3.1.
Baûng B3.1
3.3. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều ba pha
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha dạng đầy đủ (xem hình H3.6)
có cấu tạo gồm ba công tắc bán dẫn đấu vào nguồn xoay chiều 3 pha, để
thực hiện cung cấp điện cho tải 3 pha. Khi công suất tải nhỏ, các cặp công
tắc dùng thyristor có thể được thay thế bằng triac. Phân tích hoạt động của

bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha, ngay cả cho trường hợp tải thuần trở,
rất phức tạp vì việc theo dõi quá trình điện áp và dòng điện trong mạch rất
khó khăn. Dạng sóng điện áp và dòng điện tải thay đổi khác nhau phụ thuộc
vào độ lớn góc điều khiển và các tham số mạch tải (đối với tải không thuần
trở). Ngày nay, việc phân tích được thực hiện nhờ lập trình mô phỏng trên
máy tính.
Dạng sóng điện áp và dòng điện cho một số cấu hình bộ biến đổi xoay
chiều phụ thuộc vào góc điều khiển và ứng với các tải R, RL được vẽ minh
họa trên các hình H3.7 cho tải R và H3.8 cho tải RL nối tiếp.
Đặc tính điều khiển của bộ biến đổi áp xoay chiều 3 pha dạng đầy đủ được
vẽ trên hình H3.10. Với tải R, phạm vi điều khiển góc kích nằm trong
khoảng 0 , 5ð/6 ); đối với tải L, phạm vi điều khiển của góc kích nằm trong
giới hạn (ð /2, 5ð/6 ). Đối với tải RL, phạm vi điều khiển góc kích là (arctan
L/R , 5 ð/6 ). Xung kích: để đảm bảo quá trình kích dẫn thyristor, xung kích
được thực hiện dưới dạng chuỗi xung bắt đầu từ vị trí ứng với góc kích cho
đền khi vượt khỏi nửa chu kỳ tương ứng một góc ð/6.
3.4. Mạch tạo xung điều khiển.
3.4.1. Các mạch điều khiển đơn giản.
a) Mạch Điều Khiển BBĐ Xoay Chiều – Xoay Chiều
*) khái niệm chung
Cũng như BBĐ xoay chiều – một chiều ,trong BBĐ xoay chiều –xoay chiều
Ta cũng sử dụng các van bán dẫn có điều khiển . Vì vậy để cho BBĐ có thể
làm việc theo yêu cầu thì cũng phải sử dụng mạch phát tín hiệu điều khiển
cho các van . Dù là sơ đồ dùng 2 tiristor mắc song song ngược hay sơ đồ
dùng triac thì trong 1 chu kỳ nguồn ta cũng phải tạo ra 2 tín hiệu điều khiển
lệch nhau 1 góc độ điện là 180
0
tương tự như tín hiệu điều khiển các van
trong sơ đồ hình tia 2 pha. Do vậy về lý thuyết thì có thể sử dụng tất cả các

mạch phát xung điều cho bộ chỉnh lưu hình tia 2 pha để phát xung điều
khiển cho BBĐ xoay chiều –xoay chiều một pha và mạch điều khiển cho sơ
đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có thể dùng để phát xung điều khiển cho BBĐ xoay
chiều –xoay chiều 3 pha . Tuy nhiên cũng cần lưu ý một đặc tính quan trọng
là :
Đối với sơ đồ chỉnh lưu thì sự đối xứng của xung điều khiển các van cũng
quan trọng nhưng không yêu cầu khắt khe lắm .Nhưng đối với các BBĐ
xoay chiều –xoay chiều thì xung điều khiển các van , đặc biệt là cả 2 van
song song ngược trong cùng một pha nhất là khi phụ tải của BBĐ là thiết bị
chỉ làm việc được với nguồn cung cấp xoay chiều ,ví dụ như các động cơ
điện xoay chiều hoặc máy biến áp…,đòi hỏi có độ đối xứng rất cao . Đó là vì
khi góc điều khiển của 2 van trong cùng 1 pha không hoàn toàn giống nhau
thì trong đường cong điện áp trên tải sẽ xuất hiện thành phần một chiều .
Mặt khác tổng trở phụ tải đối với thành phần điện áp một chiều là rất nhỏ do
vậy thành phần dòng một chiều qua tải là rất lớn . Điều đó ảnh hưởng đến sự
làm việc của phụ tải và BBĐ, tăng tổn thất phụ và khi không đối xứng của
tín hiệu điều khiển vượt quá một giá trị nhất định nào đó (phụ thuộc trường
hợp cụ thể )thì BBĐ sẽ không làm việc được nữa.
Như vậy ta có thể ứng dụng các sơ đồ hệ thống điều khiển cho BBĐ
xoay chiều –một chiều để phát xung điều khiển cho BBĐ xoay chiều –xoay
chiều , chỉ cần lưu ý đến vấn đề đối xứng của xung điều khiển các van , do
vậy ở đây ta sẽ không xét các mạch loại đó nữa . Trong một số trường hợp
khi đòi hỏi chất lượng cao của tín hiệu điều khiển và phạm vi điều khiển
không yêu cầu rộng thì ta có thể sử dụng các mạh điều khiển đơn giản để
giảm giá thành và kích thước BBĐ.
b)Mạch Điều khiển dùng DIODE – biến trở (D-R)
ta xét một sơ đồ bộ biến đổi điện áp pha một pha có mạch điều khiển dùng
diode – biến trở như hình dưới . Trong sơ đồ này thi T1 , T2 là 2 tiristor động
lực ,mạch điều khiển các van BBĐ gồm các diode D1,D2,D3,D4, các điện trở
R1,R2 và biến trở WR.

U
dkT1
U
dkT1
T
2
U
R2
D
2
D
1
Ung
R
2
D
2
D
3
T
1
Zt
It
Ut