Tài liệu CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU pptx

Điện tữ công suất 1
CHƯƠNG BA
BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều được sử dụng để thay đổi trò hiệu dụng của điện áp ngõ ra.
Nó được mắc vào nguồn xoay chiều dạng sin với tần số và trò hiệu dụng không đổi và tạo ở ngõ ra
điện áp xoay chiều có cùng tần số nhưng trò hiệu dụng điều khiển được. Do đó, bộ biến đổi điện áp
xoay chiều có tính năng giống như máy biến áp điều khiển vô cấp. Điện áp đáp ứng ở ngõ ra thay
đổi nhanh và liên tục.
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều được sử dụng để điều khiển công suất tiêu thụ của các tải như
lò nướng điện trở, bếp điện, điều khiển chiếu sáng cho sân khấu, quảng cáo, điều khiển vận tốc động
cơ không đồng bộ công suất vừa và nhỏ (máy quạt gió, máy bơm, máy xay), điều khiển động cơ vạn
năng (dụng cụ điện cầm tay, máy trộn, máy sấy). Bộ biến đổi xoay chiều còn được dùng trong các hệ
thống bù nhuyễn công suất phản kháng.

3.1 - BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA

Trường hợp tải thuần trở : (hình H3.1).


Mạch gồm nguồn điện áp xoay chiều một pha dạng sin
tsin.Uu
m
ω=
mắc nối tiếp với tải R
thông qua công tắc xoay chiều bán dẫn. Công tắc xoay chiều gồm hai thyristor mắc đối song V
1
và
V
2
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:
i
t
= 0 , u
t
= 0
Trên thyristor V
1
xuất hiện điện áp khóa vì:
u
V1
= u – u
t
= u > 0
Tại thời điểm ứng với góc X = α, xung kích I
G1
đưa vào cổng điều khiển của V
1
trong điều
kiện có áp khóa làm V
1
đóng. Dòng điện khép kín qua mạch (u,V
1
, R)- trạng thái V
1
. Các phương
trình mô tả trạng thái V
1
trong thời gian V

1
dẫn ( α ≤ X < π )
u
V1
= 0 =- u
V2

i
V1
= i
t
; i
V2
= 0
u
t
= - u
V1
+ u = u = U
m
sinX

3-1
Điện tữ công suất 1
u
t
= R.i
t

Tại X = π, dòng qua V

1
triệt tiêu. Lúc đo,ù dòng điện tải bằng không và ta có trạng thái 0.
Các phương trình mô tả trạng thái 0:
i
t
= i
V1
= i
V2
= 0
u
V1
= u - R.i
t
= u
u
V2
= -u
Điện áp đặt lên V
2
trong khoảng thời gian ứng với X > π có giá trò dương - điện áp khóa, nên
việc kích vào cổng điều khiển của V
2
trong khoảng (π + α < X < 2π ) sẽ làm V
2
đóng.
Các phương trình mô tả
trạng thái V
2
:

u
V2
= 0; i
V2
= -i
t
u
V1
= - u
V2
= 0; i
V1
= 0
u
t
= u = U
m
.sinX < 0
i
t
=
R
u
< 0
Tại vò trí X = 2π, dòng qua V
2
triệt tiêu nên V
2
bò ngắt. Mạch trở về trạng thái 0.
Các hệ quả:

Trò hiệu dụng của áp tải :
2
1
t
2
1
2
2
tt
2
2sin1
.UU
dx.u
2
1
U
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
α
+α−π

π
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
π
=
∫
π
(3.1)
2
1
t
2
2sin
1.UU
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
π
α
+
π
α

−=

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
t
theo góc điều
khiển α được vẽ trên hình H3.3
Trò hiệu dụng dòng điện qua tải:
R
U
I
t
t
=
(3.2)
Hệ số công suất:
2
1
t
t
2
t
2
2sin
1
U
U
I.U
R/U
S

P
PF
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
π
α
+
π
α
−====
(3.3)
Dòng điện trung bình qua SCR:
)cos1(
R2
U
dx.xsin.
R
U
2
1
I
mm
VAV
α+
π
=

π
=
∫
π
α
(3.4)
Trò hiệu dụng dòng điện qua SCR. Dễ dàng suy ra rằng:
2
I
I
t
VRMS
=
(3.5)

*
Trường hợp tải L:
Ta phân biệt hai trường hợp góc điều khiển α:

3-2
Điện tữ công suất 1
a/- Góc điều khiển
2
π
α
>
( hình 3.4)
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:
i

t
=0
u
t
= L.
0
dt
di
t
=

i
V1
= i
V2
=0
u
V1
= - u
2
= u > 0
Trạng thái V
1
(α < X < 2π - α): Tại vò trí X = α, V
1
được kích trong lúc có tác dụng của điện
áp khóa nên đóng. Dòng điện dẫn khép kín qua mạch (u, V
1
, L). Trạng thái mạch điện được biểu
diễn bởi hệ thức và phương trình sau:

u
V1
= 0
i
V1
=i
t
u
t
= u = U
m
.sinX
u
t
= L
dt
d
i
t

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

() (
Xcoscos.
L
)

U
Xi
m
t
−α
ω
=
(3.6)
Dòng điện có độ lớn tăng từ 0 đến cực đại rồi
giảm về 0 tại vò trí X = 2π - α. Do i
V1
= i
t
nên tại vò trí
vừa nêu trên, dòng qua V
1
cũng bò ngắt.
Trạng thái 0- khoảng (2π - α < X < π + α): Sau
khi dòng qua V
1
bò ngắt, mạch trở lại trạng thái không
dẫn điện, các phương trình mô tả mạch điện:
i
t
= 0; u
t
=0

i
V1

= i
V2
= 0
u
V1
= - u
V2
= u < 0
Trạng thái V
2
- khoảng (π + α < X < 3π - α): Tại
vò trí X= α + π, xung kích đưa vào V
2
trong lúc V
2
chòu
tác dụng điện áp khóa nên V
2
đóng. Dòng điện khép kín qua mạch (u, V
2
, L).
Các phương trình và hệ thức mô tả trạng thái V
2
:
u
V2
=0; i
V2
= - i
t

u
t
= u; u
t
= L
dt
d
i
t

Giải phương trình dòng điện và để ý rằng i
t
( π+α) = 0, ta được nghiệm dòng điện tải:

() ()
[
Xcoscos
L
]
U
Xi
(3.7)
m
t
−π+α
ω
=
Dòng qua tải và qua V
2
có độ lớn tăng từ 0 đến cực đại rồi giảm về 0 . Tại đây, V

2
bò
ngắt. Mạch trở về trạng thái 0
Hệ quả: Đối với tải L và góc điều khiển
πα
π
<<
2
, ta có:

3-3
Điện tữ công suất 1
1/- Dòng qua tải bò gián đoạn.
2/- Trò hiệu dụng điện áp trên tải có thể dẫn giải từ hình H3.4

()
2
1
m
2
1
2
2
mt
2
2sin
1UdxXsinU
1
U
⎟

⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
π
α
+
π
α
−=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
π
=
∫
α−π
α
(3.8)
3/- Trò hiệu dụng dòng điện qua tải:

()
2
1
2
2

1
2
2
tt
2sin
3
cos21.12
L
U
dx.i
1
I
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
α
π
+α+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
π
α
−

ω
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
π
=
∫
α−π
α
(3.9)
Trong ứng dụng với tải L, thành phần hài cơ bản dòng điện có ý nghóa quan trọng:
)2sin.
1
2
2(
L.
U
)(I
m
m)1(L
α
π
+α
π
−
ω

=α
(3.10)
Mạch họat động như một tải L điều chỉnh với cảm kháng là hàm phụ thuộc góc kích:
)sin.(
.
)(
)(
)(
α
π
α
π
ω
α
α
2
12
2
1
+−
==
L
I
V
X
mL
m
L
(3.11)
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 V
1
và V
2
lần lượt dẫn điện với
khỏang dẫn của mỗi linh kiện bằng
. Dòng điện qua tải liên tục. Nếu bắt đầu đưa xung kích
vào linh kiện từ vò trí
π
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 V
1
giảm đến 0. V

1
bò ngắt. Tại vò trí này trên V
2
xuất hiện
điện áp khóa. Do có xung kích tác dụng nên V
2
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 U
t
(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
π
2
ở trường hợp tải L được thay bằng độ lớn góc
ϕ trong trường hợp tải RL, ϕ = arctg(

ω
L/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 V
1
i
t
= 0 ; u
t
= 0

3-4
Điện tữ công suất 1
i
V1
= 0 ; i
V2
= 0
u
V1
= - u
V2
= u > 0
Trạng thái V
1
: V
1
được kích dẫn
u

t
= u ; u
t
= R.i
t
+ L
dt
di
t

i
V1
= i
t
; u
V1
= - u
V2
= 0
Trạng thái 0 : mạch không dẫn điện và điện áp khóa tác dụng lên V
2
:
i
t
= 0 ; u
t
= 0
i
V1
= 0 ; i

V2
= 0
u
V1
= - u
V2
= u < 0
Trạng thái V
2
: V
2
được kích dẫn
u
V1
= - u
V2
= 0
i
V2
= - i
t
; u
t
= u
u
t
= R.i
t
+ L
dt

di
t

Nghiệm dòng điện, ví dụ trong khoảng V
1
dẫn có dạng


()()
()
()
2
2
X
L
R
m
1Vt
LRZ
e.sinXsin
Z
U
ii
ω+=
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢

⎣
⎡
ϕ−α−ϕ−==
α−
ω
−
(3.12)
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 U
t
(α) –xem hình H3.5: phụ thuộc vào các tham số RL mạch tải, thay đổi giữa
đặc 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 bảng
so sánh B3.1.

Bảng B3.1

Quan hệ tổng
quát
R L RL Tính chất
R
L
arctan
ω

=ϕ

0=ϕ

2
π
=ϕ

R
L
arctan
ω
=ϕ

ϕ
…
Góc đặc trưng
của tải
ϕ>α

0>α

2
π
>α

R
L
arctan
ω

>α

Dòng tải gián đọan
ϕ<α

______
2
π
<α

R
L
arctan
ω
<α

Dòng tải liên tục


3-5