CHƯƠNG 2 BỘ CHỈNH LƯU
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (420.21 KB, 33 trang )
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
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 bò hàn điện một chiều, mạ kim loại, nạp điện acquy
- Là bộ phận của thiết bò 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
28
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
c. Theo số pha:
- Bộ chỉnh lưu một pha
- Bộ chỉnh lưu ba pha
- Bộ chỉnh lưu nhiều pha
H2.2. Bộ chỉnh lưu dạng cầu
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
H2.3. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển
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 :
29
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
u1 = U m sin (ωt );
(
);
3
sin (ωt − 4π )
3
u 2 = U m sin ωt − 2π
u3 = U m
(2.1)
với Um –biên độ áp pha nguồn, ω = 2πf với f – tần số áp nguồn.
4. Phân tích : Giả thiết dòng tải liên tục và mạch ở trạng thái xác lập. Trình tự tiến hành phân
tích BCL :
- Xác đònh 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
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
p 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.
uV2 = u2 – u1 < 0 ⇒ V2 ngắt
⇒ V1 đóng . Ta có : uV1 = 0 ,
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 ⎤
⎡π
4π
5π
4π ⎤
, V2 dẫn, V1, V3 ngắt
Chứng minh tương tự ⇒ trong khoảng ⎢ +
÷
+
6
3 ⎥⎦
⎣6 3
, V3 dẫn, V1, V2 ngắt.
⇒ trong khoảng ⎢ +
÷
+
6
3 ⎥⎦
⎣6 3
Như vậy trình tự đóng ngắt các khóa là V1, V2, V3, …
Kết luận : Pha có giá trò áp tức thời lớn nhất thì diode pha đó dẫn , các diode còn lại
ngắt.
4.2.Phương trình trạng thái áp và dòng:
Khi V1 dẫn
⎧uV 1 = 0
⎨
⎩iV 1 = id
30
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
⎧uV 2 = u2 − u1
⎨
⎩iV 2 = 0
(2.2)
⎧u V 3 = u 3 − u1
⎨
⎩iV 3 = 0
Khi V2 dẫn
⎧uV 2 = 0
⎨
⎩iV 2 = id
⎧uV 1 = u1 − u 2
⎨
⎩iV 1 = 0
(2.3)
⎧uV 3 = u 3 − u 2
⎨
⎩iV 3 = 0
Khi V3 dẫn
⎧uV 3 = 0
⎨
⎩iV 3 = id
⎧uV 1 = u1 − u 3
⎨
⎩iV 1 = 0
(2.4)
⎧uV 2 = u 2 − u 3
⎨
⎩iV 2 = 0
⇒ p ngược lớn nhất mà diode phải chòu
U RWM = 3U m = 6U
(2.5)
4.3.Đồ thò 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.
31
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
H2.3b. Giản đồ áp ud và dòng chỉnh lưu id, áp trên linh kiện uV1 và dòng qua các linh
kiện iV1, iV2, iV3.
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
f σ (1) = f s . p = 3 f s , với p là số xung chỉnh lưu
(2.6)
Trò trung bình áp chỉnh lưu (áp tải)
3
Ud =
2π
5π / 6
∫U
π
m
sin ωtd (ωt ) =
/6
3 3
3 6
Um =
U
2π
2π
(2.7)
Với U : Trò hiệu dụng áp pha nguồn.
Trò trung bình dòng chỉnh lưu
Id =
Ud − E
R
(2.8)
¾ Linh kiện : Để tính toán chọn linh kiện, cần phải xác đònh các thông số sau:
Áp ngược lớn nhất mà diode phải chòu: 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 dV 1 =
Id
3
Để đònh mức linh kiện :
U RRM ≥ K u .U RWM
• p
với Ku = 2.5 ÷ 3.5 : hệ số an toàn về áp
• Dòng
I d ( AV ) ≥ K i .I dV 1
32
(2.9)
(2.10)
(2.11)
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
với Ki > 1 : hệ số an toàn về dòng
¾ Nguồn: Trong trường hợp này dòng qua pha nguồn bằng dòng qua linh kiện.
Trò hiệu dụng dòng nguồn
I1 =
1
2π
5π / 6
∫I
π
2
d
.dωt =
/6
Id
3
(2.12)
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 trò điện áp ngõ ra của bộ chỉnh lưu.
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 vò trí đó
các diode sẽ đóng, góc trễ đó gọi là góc điều khiển α hay góc trễ của quá trình chuyển
mạch. Giá trò 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.
33
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
b. Trình tự đóng ngắt: V1 , V2 , V3 …
c. Đồ thò phân tích:
H2.5a. Giản đồ áp nguồn, vò trí xung kích các thyristor và áp, dòng chỉnh lưu ứng với
góc điều khiển 600.
H2.5b. Giản đồ áp linh kiện uV1và dòng linh kiện iV1 ứng với góc điều khiển 600.
d. Các hệ thức :
¾ Tải: p chỉnh lưu có dạng 3 xung. Tần số hài bậc 1 của áp chỉnh lưu
34
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
f σ (1) = f s ⋅ p = 3 ⋅ f s = 150 Hz
- Trò trung bình áp tải:
U dα =
3
2π
α + 5π / 6
U
∫
α π
m
⋅ sin (ωt ) ⋅ d (ωt ) =
+ /6
3⋅ 6
cos α ⋅ U
2π
(2.13)
Nhận xét : Khi thay đổi góc điều khiển trong khoảng [ 0…π] thì trò trung bình áp
chỉnh lưu thay đổi trong phạm vi :
0 ≤α ≤π ⇒ −
- Trò trung bình dòng tải :
3⋅ 6
3⋅ 6
⋅U ≤ U d ≤
⋅U
2 ⋅π
2 ⋅π
I dα =
U dα − E
R
(2.14)
(2.15)
¾ Linh kiện:
- p 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 T ( AV ) =
¾ Nguồn:
Id
3
Trò hiệu dụng dòng nguồn
I1 =
Id
3
Lưu ý:
- Đặc tuyến điều khiển U d (α ) =
3⋅ 6
⋅ cos α ⋅ U không phụ thuộc tham số tải
2 ⋅π
(không phụ thuộc giá trò cụ thể R, L, E) khi dòng tải liên tục.
- Đặc tuyến tải được đònh nghóa là U d (α ) = f (I d (α )) , thông số là α
4. Chế độ chỉnh lưu và nghòch lưu:
Theo hệ thức (2.13) trò trung bình áp chỉnh lưu có thể có giá trò từ dương đến âm khi α thay
đổi. Trò 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 ⇒ P < 0 : chế độ nghòch lưu, công suất chuyển từ một chiều ⇒ xoay chiều.
Bộ chỉnh lưu có thể làm việc trong chế độ nghòch lưu khi có nguồn trong mạch một chiều ( ví
dụ như động cơ điện một chiều). Chế độ chỉnh lưu xảy ra khi Ud*E > 0, nghòch lưu khi Ud*E <
0.
35
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
5. Góc an toàn : Khi góc điều khiển tăng, thời gian SCR dùng để khôi phục khả năng khóa sẽ
giảm. Nếu ta tăng góc α đến giá trò đủ lớn để SCR không còn đủ thời gian để khôi phục khả
năng khóa của mình , sự cố nguy hiểm sẽ xảy ra ( SCR đóng không theo ý muốn ) ⇒ trạng
thái điện áp BCL xấu đi ⇒ dòng điện tăng lớn và có thể làm cháy hỏng thiết bò và cần phải
được ngắt bởi thiết bò bảo vệ.
Góc an toàn: là góc điện nhỏ nhất phải có khi SCR chòu tác dụng của áp nghòch để khôi phục
khả năng khóa của nó một cách an toàn ( γ ). Giá trò tới hạn γcrit = ω.tq với tq – thời gian ngắt
an toàn của SCR.
IV . BỘ CHỈNH LƯU TIA VỚI DIODE KHÔNG V0
1. Sơ đồ mạch:
H2.6. Bộ chỉnh lưu tia với diode V0
2. Phân tích:
* Khi α ≤ π /6 : V0 không có tác dụng điện áp ud luôn dương.
* Khi α > 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 ,
uv1 = 0 ;
iv1 = id
iv2 = 0
uv2 = u2 – u1;
iv3 = 0
uv3 = u3 – u1;
ud = u1 = -uv0.
Tương tự cho trạng thái V2, V3.
¾ Trạng thái V0: V0 đóng, V1,V2, V3 ngắt
iv0 = id
uv0 = ud = 0;
iv1 = 0
uv1 = u1 ;
uv2 = u2 ;
iv2 = 0
iv3 = 0
uv3 = u3 ;
36
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
H2.7. Đặc tính áp và dòng
3. Các hệ thức :
¾ Trường hợp α < π /6 : tương tự phần III
¾ Trường hợp α > π /6 :
Trò trung bình áp tải:
U dα =
3
2π
π
∫U
α π
+ /6
m
⋅ sin (ωt ) ⋅ d (ωt ) =
3 2 ⎛
π ⎞⎞
⎛
U ⎜⎜1 − sin ⎜α − ⎟ ⎟⎟
2π ⎝
3 ⎠⎠
⎝
(2.16)
Phạm vi điều khiển góc α : π/6 ≤ α ≤ 5π/6
4. Đặc điểm của V0
- Làm giảm giá trò 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 nghòch lưu
V. BỘ CHỈNH LƯU MẠCH CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
1. Sơ đồ mạch:
37
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
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
; iv3 = 0
uv3 = u2 – u1
; iv5 = 0
uv5 = u3 – u1
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).
38
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
id
u1
V1
V3
u2
u3
V5
udA
u1
u2
udK
V4
u3
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:
f σ (1) = f s ⋅ p = 6 ⋅ f s = 300 Hz
Trò trung bình áp chỉnh lưu:
⎡3 ⋅ 6
⎛ 3⋅ 6
⎞⎤
3⋅ 6
U dα = u dA − u dK = ⎢
⋅ cos(α ) − ⎜⎜ −
⋅ cos(α )⎟⎟⎥ ⋅ U =
⋅ cos(α ) ⋅ U
π
⎢⎣ 2π
⎝ 2π
⎠⎥⎦
(2.17)
Khi thay đổi α, ta điều khiển trò trung bình áp chỉnh lưu:
0 ≤α ≤π ⇔ −
3⋅ 6
π
U ≤ Ud ≤
- Trò trung bình dòng tải : I dα =
¾
3⋅ 6
π
U
U dα − E
R
Linh kiện:
p ngược lớn nhất trên linh kiện : U RWM =
Dòng trung bình qua linh kiện : I ( AV )T =
¾
6 ⋅U
Id
3
Nguồn: Trò hiệu dụng dòng qua nguồn
i1 = iV 1 − iV 4 ⇒ I 1 =
39
2
⋅ Id
3
ÑHBK TPHCM – KHOA ÑIEÄN & ÑIEÄN TÖÛ – BOÄ MOÂN CCÑ & ÑKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
40
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
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
41
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
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 : p chỉnh lưu trung bình
⎡3 ⋅ 6
⎛ 3⋅ 6
⎞⎤
3⋅ 6
U dα = u dA − u dK = ⎢
⋅ cos(α ) − ⎜⎜ −
⋅ cos(α )⎟⎟⎥ ⋅ U =
⋅ (1 + cos(α )) ⋅ U
2
π
2
π
⎢⎣ 2π
⎥
⎝
⎠⎦
Khi thay đổi góc kích , ta thay đổi điện áp chỉnh lưu trung bình :
0 ≤ α ≤ π ⇔ 0 ≤ U dα ≤
3⋅ 6
π
⋅U
42
(2.18)
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
VII. MẠCH CẦU 1 PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN
1. Sơ đồ mạch:
H2.12. Giản đồ áp và dòng của bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn
Giả thiết :
- Nguồn xoay chiều một pha lý tưởng u = U m sin (ωt )
-
4 SCR lý tưởng
Dòng qua tải liên tục
43
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
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:
Um
sin (ωt );
2
U
u 2 = m sin (ωt − π )
2
id
u1 =
(2.19)
u1
V1
u2
V3
udA
u1
udK
u2
V4
V2
id
a) Mạch tia anode
b) Mạch tia cathode
H2.13a
44
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
H. 2.13b Giản đồ phân tích áp và dòng được trình bày trên H2.12 phụ thuộc góc điều
khiển α.
3. Hệ quả :
¾
Tải:
- p chỉnh lưu trung bình :
U dα =
1
π
α +π
∫U
α
m
sin (ωt )dωt =
2⋅ 2
π
⋅ U ⋅ cos α (2.20)
Phạm vi điều khiển áp tải :
0≤α ≤π ⇔ −
- Dòng chỉnh lưu trung bình:
2⋅ 2
π
⋅U ≤ U d ≤
I dα =
¾
2⋅ 2
π
⋅U
U dα − E
R
Linh kiện : - Dòng trung bình qua linh kiện : Mỗi SCR dẫn ½ chu kỳ áp lưới
45
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
I T ( AV ) =
Id
2
(2.21)
- p ngược Max trên linh kiện:
U RWM = 2U
¾
(2.22)
Nguồn: Trò hiệu dụng dòng qua nguồn
I S = I1 =
1
π
α +π
∫I
d
d ωt = I d
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
V1
u2
V3
udA
u1
udK
u2
V4
V2
id
b) Tia Cathode
a) Tia Anode
46
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
H2.15
H2.16. Trạng thái áp và dòng của bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần với cấu trúc
đối xứng .
¾
Tải:
47
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
- p chỉnh lưu trung bình :
U dα =
1
π
U
π α∫
m
sin (ωt )dωt =
2
π
⋅ U ⋅ (1 + cos α )
(2.23)
Phạm vi điều khiển áp tải :
0 ≤ α ≤ π ⇔ 0 ≤ Ud ≤
- Dòng chỉnh lưu trung bình:
I dα =
2⋅ 2
π
⋅U
U dα − E
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 nghòch 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 trò 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 : trò trung bình áp chỉnh lưu;
uac : thành phần xoay chiều.
Thành phần xoay chiều áp chỉnh lưu làm dòng tải id bò 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 bò 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:
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 .
Đặc tuyến điều khiển bò thay đổi dạng ( phi tuyến )
Hệ điều khiển khó hiệu chỉnh
48
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
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 đònh mức theo chế độ dòng tải liên tục nếu không yêu cầu
độ chính xác cao.
X. HIỆN TƯNG CHUYỂN MẠCH VÀ HỆ QUẢ:
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.
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.
49
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
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.
H2.18. Hiện tượng chuyển mạch trong chỉnh lưu tia ba pha điều khiển
diV 1
= ud
dt
di
u3 − L V 3 = u d
dt
iV 1 + iV 3 = I d
u1 − L
u1 − L
diV 1
di
= u3 − L V 3
dt
dt
Hệ quả:
- Hiện tượng chuyển mạch làm giảm áp tải trong thời gian chuyển mạch :
U dcm = U d −
-
3ωL
Id
2π
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 :
⎛
γ = arccos⎜⎜ cos α −
⎝
2ωLb I d ⎞
⎟ −α
3U m ⎟⎠
(2.24)
+ 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
50
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
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
- Xung răng cưa có độ rộng bằng 1800 ứng với khoảng điều khiển góc α Max
- p dụng cho mạch tia 1pha, 2 pha, mạch cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn, bán phần.
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 trò 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
Sơ đồ mạch:
Δ/Υ
Phân tích:
iS = IS( AV ) + iSσ
51
ĐHBK TPHCM – KHOA ĐIỆN & ĐIỆN TỬ – BỘ MÔN CCĐ & ĐKH –GV : TS. Phan Quốc Dũng
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
(L→∞)
Is ( AV ) = Id/3
Np = Ns
⇒
i1sσ = i1s – Id/3 = i1p
i2sσ = i2s – Id/3 = i2p
i3sσ = i3s – Id/3 = i3p
Dòng tiêu thụ từ lưới
i1L = i3p – i1p
i2L = i1p – i2p
i3L = i2p – i3p
i1L
i2L
i1P
i2P
i1S
V1
i3L
V2
i3P
i2S
i3S
TẢI
ud
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 đònh mức cho MBA cho bởi hệ thức
S tN =
với
S p + Ss
2
= K t .PdN
Sp : Công suất đònh mức cuộn sơ cấp
Ss: Công suất đònh mức cuộn thứ cấp
PdN: Công suất tiêu thụ đònh mức DC của tải
52
