Tài liệu CHƯƠNG 2: BỘ CHỈNH LƯU pptx

Điện tử công suất 1
CHƯƠNG HAI

BỘ CHỈNH LƯU

Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện
một chiều. Bộ chỉnh lưu được áp dụng làm nguồn điện áp một chiều; làm nguồn
điện một chiều có điều khiển cấp cho các thiết bò mạ, thiết bò hàn một chiều ;
nguồn điện cho các truyền động động cơ điện một chiều ; nguồn cung cấp cho
mạch kích từ của máy điện một chiều hoặc máy điện đồng bộ. Bộ chỉnh lưu còn
dùng để chuyển đổi điện xoay chiều thành dạng một chiều để truyền tải đi xa
(HVDC). Bộ chỉnh lưu còn tạo thành một bộ phận trong thiết bò biến tần,
cycloconverter dùng trong truyền động điện động cơ xoay chiều.
Công suất của các bộ chỉnh lưu có thể từ vài trăm W đến hàng chục MW.

2.1 - BỘ CHỈNH LƯU MẠCH TIA BA PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN

Sơ đồ cấu tạo
Các giả thiết :
Nguồn ba pha lý tưởng , đối xứng (trở kháng trong L
b
,R
b
=0)
u
1
= U
m
.sinX
u
2

= U
m
.sin
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
3
2
π
X
(2.1)
u
3
= U
m
.sin
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
3
4
π

X


2-1
Điện tử công suất 1
Với U
m
là biên độ áp pha
U
m
=
2
.U ; U..... trò hiệu dụng áp pha .
X = ω.t : giá trò góc ứng với thời điểm t, ω : tần số góc
Tải một chiều gồm R,L và sức điện động E mắc nối tiếp . Giả sử dòng qua
tải i
d
liên tục

Phân tích :
Dể dàng nhận thấy rằng với nguồn áp ba pha lý tưởng không thể có hai
(hoặc ba) diode đồng dẫn. Do dòng điện tải liên tục nên tại mỗi thời điểm chỉ có
một diode dẫn điện .

Bằng phép chứng minh bằng phản chứng, ta dể dàng suy ra kết luận sau:
diode dẫn điện là diode mắc vào nguồn áp xoay chiều với trò tức thời lớn nhất
trong các pha tại thời điểm đang xét.
Ví dụ: Trong khoảng
⎟
⎠

⎞
⎜
⎝
⎛
<<
6
5
6
ππ
X
, giả thiết V
2
đóng, V
1
và V
3
ngắt.
Từ đó:
u
v2
= 0 và u
v1
= u
1
- u
2.

Theo hình vẽ H2.1:
u
v1

= u
1
- u
2
> 0
Như vậy, điện áp thuận xuất hiện trên diode khi dẫn điện. Điều này vô lý
vì diode lý tưởng không cho phép áp đặt lên nó dương ở chế độ bò ngắt.
Tương tự, giả thiết V
3
dẫn trong khoảng này cũng không phù hợp .

Kết quả: V
1
dẫn trong khoảng
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
6
5
6
ππ
,
.
Hệ phương trình mô tả trạng thái mạch :
*
⎟
⎠

⎞
⎜
⎝
⎛
<<
6
5
6
ππ
X
: V
1
đóng, V
2
và V
3
bò ngắt. Dòng điện dẫn qua mạch (u
1
,
v
1
,RLE).
u
v1
= 0 ; i
v1
= i
d

u

v2
= u
2
- u
1
; i
v2
= 0 ; u
v3
= u
3
- u
1
; i
v3
= 0 (2.2)
u
d
= u
1

E
dt
di
LiRu
d
dd
++= ..

*

⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
<<
2
3
6
5
ππ
x
: V
2
đóng, V
1
và V
3
bò ngắt. Dòng điện dẫn qua mạch (
u
2
,v
2
,RLE )
u
v2
= 0 ; i
v2
= i

d

u
v1
= u
1
- u
2
; i
v1
= 0 ; u
v3
= u
3
- u
2
; i
v3
= 0 (2.3)
u
d
= u
2

E
dt
di
LiRu
d
dd

++= ..


2-2
Điện tử công suất 1
*
6
13
2
3
ππ
<< x
: V
3
đóng,V
1
và V
2
ngắt. Dòng điện dẫn qua mạch: (
u
3
,v
3
,RLE )
u
v3
= 0 ; i
v3
= i
d

u
v1
= u
1
- u
3
; i
v1
= 0 ; u
v2
= u
2
- u
3
; i
v2
= 0 (2.4)
u
d
= u
3

E
dt
di
LiRu
d
dd
++= ..

Dạng đồ thò các đại lượng áp và dòng điện được vẽ trên hình H2.b

Hệ quả:
- Điện áp chỉnh lưu có 3 xung, chu kỳ áp chỉnh lưu T
p
= T/ 3 với T là
chu kỳ áp nguồn xoay chiều
- Khi dòng tải liên tục, điên áp tải chỉ phụ thuộc vào điện áp nguồn
và có độ lớn trò trung bình U
d
:

UUXdXUU
mmd
..sin
ππ
π
ππ
π
2
63
2
33
3
2
1
3
2
6

6
===
∫
+
(2.5)
Trò trung bình dòng điện tải ở xác lập I
d
:
U
d
= R.I
d
+ E
⇒ I
d
=
R
EU
d
−
(2.6)
- Mỗi diode dẫn điện trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ. Do đó trò
trung bình dòng qua diode:

3
3
2
1
3
2

6
6
d
TTAV
I
dXiI ==
∫
+
ππ
π
π
.
(2.7)
Điện áp ngược lớn nhất đặt trên diode bằng biên độ áp dây
U
RWM
=
3
.U
m
(2.8)

2.2 - BỘ CHỈNH LƯU MẠCH TIA BA PHA ĐIỀU KHIỂN

Sơ đồ cấu tạo :
Mạch chứa nguồn áp xoay chiều 3 pha lý tưởng, 3 thyristor mắc dạng tia.
Mạch được phân tích với
giả thiết dòng qua tải liên tục. Do đó, tại mỗi thời điểm,
dòng điện tải sẽ khép kín qua một nhánh mạch chứa nguồn và thyristor dẫn điện.
Do tính chất đối xứng của nguồn, nên các thyristor sẽ kích đóng đối xứng

theo trật tự V
1
,V
2
,V
3
,V
1
......

2-3
Điện tử công suất 1

Giả thiết V
3
dẫn điện và ta muốn kích đóng V
1
. Muốn vậy ta xét dấu điện
áp trên V
1
theo hệ thức :
u
v1
= u
1
- u
3
+ u
v3
= u

1
- u
3
(do u
v3
= 0)
Do u
1
- u
3
> 0 (tức có áp khoá trên V
1
) khi
6
7
6
ππ
<< X
nên V
1
sẽ đóng nếu
ta thực hiện đưa xung kích đóng nó trong khoảng này. Gọi X
α
là vò trí xung kích
đưa vào V
1
và α là góc cho bởi:
α = X
α
-

6
π
(2.9)
Góc
α
được gọi là góc kích hoặc góc điều khiển của thyristor và có độ lớn
được tính từ thời điểm xuất hiện điện áp khóa trên thyristor đang xét đến thời điểm
đưa xung kích vào cổng điều khiển của thyristor đó.
Tại vò trí có góc điều khiển α , V
1
đóng nên :
u
v1
= 0.
Trên V
3
xuất hiện điện áp ngược đặt trực tiếp giữa anode-cathode :
u
v3
= u
3
- u
1
< 0 nên V
3
ngắt.
Dòng điện tải khép kín qua mạch ( u
1
, V
1

,RLE ). Các phương trình mô tả
mạch lúc V
1
dẫn có dạng:
u
v1
= 0 ; i
v1
= i
d

u
v2
= u
2
- u
1
; i
v2
= 0 ; u
v3
= u
3
- u
1
; i
v3
= 0

E

dt
di
LiRu
d
dd
++= ..
(2.10)
Tương tự , ta phân tích các quá trình kích đóng V
2
,V
3
.

2-4
Điện tử công suất 1
Dòng điện qua V
3
bò ngắt do tác dụng điện áp nguồn xoay chiều (u
3
-u
1
) nên
điện áp chuyển mạch là điện áp nguồn. Do điện áp chuyển mạch tạo thành từ bản
thân của nguồn điện (mạch công suất ) nên quá trình chuyển mạch được gọi là
quá trình chuyển mạch tự nhiên hoặc quá trình chuyển mạch phụ thuộc.

Các hệ quả khi dòng liên tục
-
Điện áp tải có dạng không phụ thuộc độ lớn dòng điện tải và các
tham số mạch tải và chỉ phụ thuộc vào điện áp nguồn và góc điều khiển α. Điện

áp tải có 3 xung trong 1 chu kỳ T của áp nguồn. Chu kỳ áp chỉnh lưu T
p
trên tải
bằng T
p
= T/3.
- Trò trung bình áp chỉnh lưu trên tải

()
α
π
=α
π
=
π
=α
∫
π
+α
π
+α
cos.U.
2
63
cosU
2
33
XdXsinU
3
2

1
U
m
6
7
6
md
(2.11 )
-
Phạm vi góc điều khiển α : do điện áp khóa trên thyristor chỉ tồn
tại trong khoảng góc 0 nên góc điều khiển có phạm vi điều khiển là (0,π ).
Từ đó, điện áp chỉnh lưu trung bình U
d
sẽ có độ lớn nằm trong
khoảng:
UUU
d
..
ππ
2
63
2
63
+<<−
(2.12)

- Khi điện áp trên tải có trò trung bình dương, tải nhận năng lượng từ nguồn
và bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu. Khi áp trung bình trên tải âm, do
dòng tải chỉ dương nên tải phát ra năng lượng và ta gọi bộ chỉnh lưu làm việc ở
chế độ nghòch lưu .

-
Đònh mức linh kiện:
- Mỗi thyristor dẫn điện trong 1/3 chu kỳ áp nguồn do đó trò trung
bình dòng qua nó I
TAV
=
3
d
I
. (2.13)
Điện áp khóa và áp ngược lớn nhất có thể xuất hiện trên linh kiện có độ lớn
bằng: U
DRM
= U
RRM
=
U.6
(2.14)

Ví dụ 2.1:
Bộ chỉnh lưu mạch tia 3 pha điều khiển mắc vào tải chứa R = 10
Ω
, E=50 V
và tải rất lớn làm dòng tải liên tục và phẳng. Áp nguồn xoay chiều 3 pha có trò hiệu
dụng U=220 V. Mạch ở trạng thái xác lập.
a. Tính trò trung bình của điện áp chỉnh lưu và dòng chỉnh lưu khi góc điều
khiển
α
=
3

π
[rad]
b. Tính công suất trung bình của tải .
c. Tính trò trung bình dòng qua mỗi linh kiện
d. Tính trò hiệu dụng dòng qua mỗi pha nguồn .
e. Tính hệ số công suất nguồn .

Giải:

2-5