Tài liệu HIỆN TƯỢNG CHUYỂN MẠCH pdf

Điện tử công suất 1


2.8 - HIỆN TƯNG CHUYỂN MẠCH

Trong các phần trước đây, bộ chỉnh lưu được phân tích với giả thiết bỏ qua
cảm kháng trong của nguồn áp. Hệ quả là quá trình chuyển mạch giữa các nhánh
chứa thyristor diễn ra tức thời. Trong thực tế, nguồn có cảm kháng trong làm
dòng điện qua nó không thể thay đổi đột ngột. Vì thế, hiện tượng chuyển mạch
giữa các nhánh chứa các thyristor không diễn ra tức thời mà kéo dài một khoảng
thời gian, hình thành trạng thái các nhánh chứa thyristor cùng dẫn điện. Hiện
tượng này được gọi là hiện tượng trùng dẫn (overlapping) hoặc hiện tượng
chuyển mạch (commutation).
Xét bộ chỉnh lưu mạch tia ba pha điều khiển (hình H2.33)


Nguồn xoay chiều có cảm kháng trong L
b
.
Trạng thái V3:
Giả thiết dòng qua tải liên tục và V
3
dẫn dòng điện. Khi đó, dòng điện tải
dẫn qua mạch (u
3
,L
b
,V
3
,RLE ). Phương trình mô tả mạch:
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 (2.43)
u
d
= u
3

E
dt

di
LiRu
d
dd
++= ..

Trạng thái (V1V3):
Tại thời điểm đưa xung kích đóng cho V
1
(góc α ), do tác dụng đồng thời
của điện áp khoá và xung kích đóng, V
1
đóng .
Do V
1
mắc nối tiếp với L
b
nên dòng qua nó tăng liên tục từ giá trò 0. Tương
tự , dưới tác dụng của điện áp chuyển mạch (u
3
-u
1
) và cảm kháng L
b
, dòng điện
qua V
3
giảm một cách liên tục từ giá trò dòng tải. Hệ phương trình mô tả trạng
thái mạch:

ii i
V V d13
+=


dt
di
Lu
dt
di
Lu
V
b
V
b
3
3
1
1
+−=+−


2-35
Điện tử công suất 1



dt
di
Luu

V
bd
1
1
−+=
(2.44)

E
dt
di
LiRu
d
dd
++= ..

u
V1
= 0 ; u
V3
= 0
Giả sử khoảng thời gian trùng dẫn nhỏ hơn nhiều so với hằng số thời gian
của tải chỉnh lưu, có thể xem dòng điện tải không thay đổi độ lớn. Do đó:
i
v1
+ i
v3
= I
d
= const

0
31
=+⇒
dt
di
dt
di
VV
(2.45)
Từ đó dẫn giải:

dX
L
uu
di
b
V
ω
2
31
1
−
=
(2.46)

Biểu diễn các hệ thức trong hệ trục tọa độ mới
′ ′
O X
với
′

O
dòch sang phải
của điểm O và
6
OO
π
=
′
, ta có:
XdXUuu
m
′′
=− sin3
31
(2.47)
Từ đó:

()
()
dXXsin
L2
U3
di
X
b
m
Xi
i
1V
1V

1V
′
ω
=
∫∫
′
α
′
α
(2.48)
() () (
Xcoscos
L.2
U3
iXi
b
m
1V1V
′
−α
ω
=α−
′
⇒
)
(2.49)
Do i
V1
(α)= 0 , nên

() ()
'Xcoscos
L.2
U3
'Xi
b
m
1V
−α
ω
=
(2.50)
1Vd1Vd3V
iIiii −=−=
(2.51)
Đồ thò biểu diễn các hệ thức dòng điện cho thấy i
v1
tăng dần từ giá trò 0 và
dòng i
v3
giảm dần từ giá trò I
d
.
Trạng thái V1:
Trạng thái V
1
,V
3
cùng dẫn sẽ kéo dài đến vò trí X
k

’
thỏa mãn:
i
V1
(
X
k
'
) = I
d
i
V3
(X
k
’
) = 0 (2.52)
Lúc đó, V
3
bò ngắt vì không cho phép dòng qua nó đổi dấu. Hiện tượng
chuyển mạch kết thúc, dòng điện tải khép kín qua mạch chứa (u
1
,L
b
,V
1
,RLE),
phương trình mô tả mạch có dạng:
dt
di
Luu

ii;
0u
1V
b1d
d1V1V
−+=
==

0i;
dt
di
Luuu
0i;E
dt
di
LRiu
2V
2V
b122V
3V
d
dd
=+−=
=++=
(2.53)
Tương tự như trên, ta có thể xét quá trình chuyển mạch giữa V
1
,V
2
và V

2
,V
3
.
Gọi t
µ
và X
µ
lần lượt là thời gian chuyển mạch và góc chuyển mạch X
µ
=ω.t
µ


2-36
Điện tử công suất 1


Độ lớn góc chuyển mạch
µ
được suy ra từ điều kiện kết thúc hiện tượng
chuyển mạch:

() ( )
µαµα
+==+= ',' XIiXi
dVV 11
(2.54)
Kết quả là:

α
ω
αµ
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
m
db
U
IL
3
2
cosarccos
(2.55)
Góc chuyển mạch (và thời gian chuyển mạch) phụ thuộc vào góc điều
khiển
α
, vào độ lớn dòng điện tải và cảm kháng trong cuả nguồn áp

Các hệ quả:
1. Hiện tượng chuyển mạch làm giảm áp tải. Ví dụ, trong thời gian chuyển
mạch giữa V
3

, và V
1
, từ hệ phương trình (2.44) ta suy ra áp tải có dạng:

22
231
uuu
u
d
−=
+
=
(2.56)
Trên hình vẽ H2.34, ta thấy dạng áp chỉnh lưu bò mất đi một phần so với
trường hợp áp lý tưởng (L
b
= 0). Do đó, trong một chu kỳ áp chỉnh lưu, trò trung
bình điện áp tải bò giảm đi
∆
U
dx
.

()
∫∫
µ+α
α
µ+α
α
′

−
π
=
′
−
π
=∆ Xd
2
uu
2
3
Xd.uu
3
2
1
U
31
d1dx
(2.57)
Từ (2.46) ta suy ra:

()
()
d
b
i
i
1Vbdx
I.
2

L
3
diL
2
3
U
1V
1V
π
ω
=ω
π
=∆
∫
µ+α
α

Nếu đặt:
bcm
L
2
3
R
π
ω
=

Ta có:
dcmdx
IRU =∆

Điện áp trên tải thực tế có độ lớn:

dcm0ddx
IRcos.UU −α=∆
(2.58)
Với
π
=
2
X.p
R
b
cm
(2.59a)
hoặc
π
=
b
cm
X.p
R
(2.59b)
Công thức (2.59a) áp dụng cho:
- bộ chỉnh lưu tia một xung với diode không (p=1);
- bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần khi
0>α
(p=2);
- các bộ chỉnh lưu tia m pha điều khiển hoặc không điều khiển, có hoặc
không có diode không (p=m);

- các bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn và không điều khiển
(p=6);
- bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn với một diode không khi
3π<α
(p=6)
- bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn với hai diode không
(p=6)
Công thức (2.59b) áp dụng cho:

2-37
Điện tử công suất 1


- bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn và không điều khiển
(p=2);
- bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần khi
0=α
(p=2)
- bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn với một diode không và
3π>α
(p=6).
- bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển bán phần (p=3).
2. Hiện tượng chuyển mạch hạn chế phạm vi góc điều khiển
α
và do đó
hạn chế phạm vi điều khiển điện áp chỉnh lưu .
Khi phân tích quá trình điện áp và dòng điện của thyristor trong các dạng
mạch chỉnh lưu cơ bản, với góc điều khiển
α
và bỏ qua hiện tượng chuyển mạch

(L
b
= 0), ta có góc an toàn của thyristor
γ
:

α−π=ω=γ
q
t.
(2.60)
t
q
là thời gian khôi phục khả năng khóa của thyristor.
Nếu thyristor có giá trò
γ
cho trước, giá trò góc điều khiển cực đại cho phép
có độ lớn bằêng:

α π γ
max
=−
(2.61)
Nếu xét cả hiện tượng chuyển mạch với
µ
là độ lớn góc chuyển mạch, độ
lớn góc an toàn còn lại của thyristor bằng:

(2.62)
()
γπαµ πα

=− + =−−
µ
Với giá trò
γ
cho trước của thyristor, góc điều khiển lớn nhất cho phép có
giá trò:

α
max
=
π
-
µ
-
γ
(2.63)
Rõ ràng, phạm vi góc điều khiển
α
ở chế độ nghòch lưu bò hạn chế. Góc
chuyển mạch càng lớn (ví dụ khi dòng tải lớn , L
b
lớn), góc
α
max
càng giảm. Trên
thực tế
α
max
thường lấy giá trò khoảng 160
0

→
165
0
.
Do
α
max
giảm nên trò trung bình áp chỉnh lưu trong chế độ nghòch lưu bò
giảm theo:
U
dmin
= U
do
.cos
α
max
- X
cm
.I
d
(2.64)
Trong trường hợp mạch tia ba pha, ta dễ dàng suy ra:

()
dcmd
m
b
dd
IXI
U

L
UU .
.
cos.
min
−
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−−=
3
2
0
ω
γπ
(2.65)
Với
γ
cho trước, điện áp trung bình nhỏ nhất của tải phụ thuộc vào dòng tải.
3. Hiện tượng chuyển mạch làm biến dạng điện áp nguồn .


Phân tích điện
áp pha nguồn tại các
điểm A hoặc điện áp

dây giữa hai điểm
AB (hình H2.35), ta
thấy nó bò méo dạng,
trên đồ thò điện áp
pha hình H2.35 xuất

2-38
Điện tử công suất 1


hiện các gai và lõm điện áp. Các lõm và gai điện áp có độ lớn tỉ lệ với giá trò cảm
kháng L
b
và dòng điện tải. Do đo,ù nếu mắc các tải tiêu thụ khác vào mạch nguồn
chung với bộ chỉnh lưu, sự biến dạng áp nguồn gây ra do tác dụng chuyển mạch
của bộ chỉnh lưu có thể không chấp nhận được.
Để hạn chế độ biến dạng của áp nguồn, người ta không mắc trực tiếp bộ
chỉnh lưu vào lưới điện mà thông qua máy biến áp hoặc cuộn kháng. Máy biến áp
trong hoạt động mạch tác dụng như cuộn kháng lọc với độ lớn xác đònh bởi cảm
kháng tản của các cuộn dây. Cấu trúc mạch nguồn đấu vào bộ chỉnh lưu có dạng
thay thế vẽ trên hình H2.36.



Hiện tượng chuyển mạch tác dụng làm ngắn mạch giữa các pha nguồn. Cảm
kháng hoặc máy biến áp mắc nối tiếp với bộ chỉnh lưu có tác dụng tương đương
cảm kháng L
T
. Do có L
T

, điện áp ngắn mạch tại điểm A phụ thuộc vào tỉ số cảm
kháng L
b
và L
T
trong mạch, nếu
L
L
T
b
rất lớn, điện áp lưới càng ít biến dạng. Tuy
nhiên, việc tăng L
T
lại không có lợi về khía cạnh sử dụng máy biến áp và điện áp
chỉnh lưu giảm nhiều do chuyển mạch.
Độ lớn điện áp tại các vò trí A lúc chuyển mạch xác đònh theo hệ thức gần
đúng :
U
A
= U
Tb
T
XX
X
+
; X
T
=
ω
L

T
, X
b
=
ω
L
b
(2.66)
Trong thực tế, giá trò X
T
thường chọn trong khoảng
X
T
= ( 0,04
→
0,1).
f
f
I
U
2
2
(2.67)
U
2f
, I
2f
là trò hiệu dụng điện áp và dòng điện đònh mức của nguồn cấp
cho tải (ví dụ điện áp và dòng điện pha thứ cấp máy biến áp).

Ví dụ 2.20:
Bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn mắc vào tải động cơ một
chiều. Tải có L
u
rất lớn làm dòng tải phẳng i
d
= 100A. Nguồn xoay chiều có trò hiệu
dụng U = 380V, L
b
=0,001H, R
b
= 0,01
Ω
,
ω
= 314 rad/s. Độ sụt áp trên một linh kiện
là 2V.
a/- Phân tích hiện tượng chuyển mạch

2-39
Điện tử công suất 1


b/- Tính điện áp lớn nhất do bộ chỉnh lưu cung cấp cho tải
c/- Tính độ tăng
max
⎟
⎠
⎞
⎜

⎝
⎛
dt
di
V

d/- Tính độ lớn góc chuyển mạch
µ
khi
α
=0
e/- Tính góc điều khiển
α
max
, giả thiết thời gian khôi phục khả năng khóa của
SCR là t
q
= 50
µ
S

Giải:
a/- Giả sử V3,V4 đang dẫn, V1,V2 bò ngắt. Trong nửa chu kỳ dương của áp
nguồn, tại ví trí tương ứng góc kích
α
, xung kích đưa vào V1,V2 làm cho chúng đóng.
Do tác dụng L
b
, hình thành trạng thái đồng dẫn điện của V1,V2,V3,V4 với hệ phương
trình mô tả sau:

0
41
3141
31
=−−=
−=−=
=
=+
VVd
VVVV
b
dVV
uuu
iiiii
dt
di
Lu
Iii
.


Giải hệ phương trình trên ta thu được góc chuyển mạch:
α
ω
αµ
−
⎟
⎟
⎠
⎞

⎜
⎜
⎝
⎛
−=
U
LI
bd
.
...
cosarccos
2
2

Độ tăng dòng điện qua SCR (ví dụ khi đóng V1,V2):

α
sin
.
.
b
V
L
U
dt
di
2
2
=

b/-
Độ sụt áp trên SCR:
∆
U
V
= 2 x 2V = 4[V]
Độ sụt áp trên R
b
:
∆
U
rb
= 0,01 x 100= 1[V]
Độ sụt áp gây ra bởi quá trình chuyển mạch :

2-40