CHƯƠNG3 đề CƯƠNG điện tử CÔNG SUÂT 4 2018

Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất_

CHƯƠNG 3
BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU
3.1. Giới thiệu chung bộ biến đổi điện áp xoay chiều
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều được sử dụng để thay đổi giá trị hiệu dụng
của điện áp xoay chiều đầu ra. Nó được mắc vào nguồn điện áp xoay chiều dạng sin
với tần số và trị hiệu dụng không đổi và tạo ở đầu ra điện áp xoay chiều có cùng tần
số nhưng trị hiệu dụng có thể thay đổi được. Do đó bộ biến đổi điện áp xoay chiều
có tính năng gần giống như máy biến áp điều khiển vô cấp. Nhưng điện áp đáp ứng
ở đầu ra thay đổi nhanh và liên tục, tuy nhiên chất lượng điện áp và dòng điện bị
ảnh hưởng bởi góc kích mở và tính chất tải.
Trong thực tế các bộ biến đổi điện áp xoay chiều thường được sử dụng để
điều khiển công suất tiêu thụ của các phụ 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 hệ thống bù vô cấp công suất phản kháng cho hệ thống điện và
được sử dụng làm bộ khởi động mềm cho động cơ ba pha.
Các bộ xung áp xoay chiều (XAAC) được dùng để điều chỉnh giá trị điện áp
xoay chiều với hiệu suất cao. XAAC thường sử dụng các loại van công suất như:
các Thyristor mắc song song ngược, Triac, hay cầu diode và Thyristor để thay đổi
giá trị điện áp trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp lưới theo góc mở , từ đó thay đổi
được giá trị điện áp hiệu dụng trên tải.
Các bộ XAAC dùng để điều chỉnh điện áp xoay chiều theo phương pháp thay
đổi góc mở thường được sử dụng theo các các sơ đồ sau:

c>
a>

b>

Hình 3.1: Các sơ đồ thường sử dụng trong mạch điện xoay chiều bằng phương
pháp điều chỉnh góc mở

Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều

141


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất_

-Trong sơ đồ hình 3.1-(a) chúng ta có trể thay thyristor bằng một tranzitor, tuy
nhiên tổn hao công suất trong sơ đồ này rất cao nên chỉ được sử dụng với tải có
cơng suất nhỏ. Cịn sơ đồ hình 3.1-(b) sử dụng triac thường được sử dụng cho các
tải có cơng suất từ vài trục W đến vài KWvới yêu cầu chất lượng không cao. Để đáp
ứng công suất lớn và chất lượng điện áp tốt hơn ta thường dùng sơ đồ sử dụng 2
thyritstor mắc song song ngược như hình 3.1-(c).
Ngồi các phương pháp biến đổi góc pha như trên người ta còn sử dụng
phương pháp biến đổi tỷ lệ thời gian (Time duty ratio control). Nguyên lý của
phương pháp này được thực hiện bằng cách dùng công tắc xoay chiều (satic relay)
dóng cắt đồng bộ với thời điểm điện áp lưới qua điểm Zero. Khi đó điện áp hiệu
dụng trên tải được xác định:
Ut  U

Trong đó

Tt
T

Tt là khoảng thời gian đóng cơng tắc xoay chiều (Tt  T);
Tt = mTs
T: là chu kỳ đóng cắt cơng suất cho tải ( T = nTs)
TS: là chu kỳ điện áp lưới

Hình 3.2: Dạng sóng dịng điện, điện áp trong mạch điều áp xoay chiều
Diều khiển bằng phương pháp tỷ lệ thời gian
Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều

142


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất_

3.2. Mạch điều áp xoay chiều một pha
3.2.1. Một số sơ đồ biến đổi điện áp xoay chiều một pha
a> Sơ đồ biến đổi điện áp xoay chiều một pha sử dụng Diode và SCR
Zt
L
D4

D1
T

D3

D2

N

b> Sơ đồ biến đổi điện áp xoay chiều một pha sử dụng triac
T1

ic

U~

Zt

Uc

c> Sơ đồ biến đổi điện áp xoay chiều một pha sử dụng hai SCR
T1
i1

i2

U~

ic

T2
Uc

Zt

3.2.2. Mạch điều áp xoay chiều một pha sử dụng SCR
a> Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ nguyên lý mạch điều chỉnh dòng điện xoay chiều một pha được sử
dụng với nhiều sơ đồ khác nhau như phần trên đã giới thiệu, tuy nhiên để hiểu rõ
tính chất và nguyên lý của sơ đồ ta đi nghiên cứu mạch điều áp xoay chiều một pha
dùng 2 thyritstor mắc song song ngược như hình 3.3-a. Mạch gồm 2 thyristor nối
song song ngược với nhau (tương đương với 1 triac) nối tiếp với tải. Các sơ đồ khác
dùng triac hay cầu diode ta chỉ việc thay các van vào vị trí 2 thyritstor.

Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều

143


Trường Đại học SPKT Hưng n

Điện tử cơng suất_

T1

T1

i1

T2

i2

ic

T2

U~

Uc

Zt

*

*

Hình 3.3-b

Hình 3.3-a

Vì 2 thyristor nối song song ngược nên mạch khuếch đại của các thyristor
thường dùng biến áp xung có hai cuộn thứ cấp để cách ly với nhau như hình 3.3-b,
cũng có thể cách ly dùng phần tử quang.
b> Nguyên lý làm việc của mạch được giải thích như sau:
Giả sử điện áp nguồn xoay chiều có biểu thức như sau:
u  2U sin t

Ở nửa chu kỳ dương của điện áp, T1 được phân cực thuận, T2 bị phân cực
ngược, tại thời điểm bất kỳ (t = ) trong khoảng thời gian 0 < t <  ta kích một
xung điều khiển vào cực G1 của T1 khi đó T1 dẫn có điện áp đặt lên tải và dịng qua
tải.
Ở nửa chu kỳ âm của điện áp, T2 được phân cực thuận, T1 bị phân cực ngược.
cũng tại thời điểm bất kỳ (t =  + ) trong khoảng thời gian  < t < 2 ta kích

một xung điều khiển vào cực G2 của T2 khi đó T2 dẫn có điện áp đặt lên tải và dịng
qua tải.
Như vậy bằng cách điều chỉnh góc mở  của các thyristor, ta có thể điều
chỉnh được dịng điện qua tải cũng như công suất tiêu thụ trên tải. Trong mạch điều
chỉnh dịng điện xoay chiều 1 pha góc mở  được tính từ các thời điểm có điện áp
bằng khơng (t = k).

Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều

144


Trường Đại học SPKT Hưng n

Điện tử cơng suất_

c> Dịng điện - điện áp trên tải:
Trong mạch điều áp xoay chiều dịng điện tải phụ thuộc vào tính chất của tải,
để cụ thể ta sẽ xét từng trường hợp như sau:
*Tải thuần trở:
-

Uc

Khi van T1 dẫn, có dịng đi qua van T1 và qua
tải, dòng điện, điện áp tải được xác định theo

0 



2
t

biểu thức:
uc  2U sin t
ic 

u

R

UT1

2U sin t
R

0



2
t

(Khi < t <  và  + < t < 2)
ic

- Theo nguyên lý làm việc ta xây dựng được dạng
sóng dịng điện, điện áp trong mạch như hình 3.4. Từ
dạng sóng ta nhận thấy dịng điện trên tải là khơng

0



2
t

sin, có dạng tương tự như sóng điện áp trên tải.
- Phân tích dịng điện tải thành sóng cơ bản và sóng
bậc cao. Trong đó sóng cơ bản của dịng điện tải
chậm pha sau sóng điện áp một góc . Vì vậy có thể

Hình 3.4: Dạng sóng dịng điện,
điện áp mạch XAXC 1 pha

kết luận ngay cả khi tải thuần trở mạch vẫn tiêu thụ

với tải R

một phần công suất phản kháng từ lưới. Nếu như bỏ
qua thành phần sóng hài bậc cao thì dạng sóng dịng
điện điện áp trên tải được mơ tả như hình 3.4.
Từ biểu thức điện áp và dòng điện ta xác định được các giá trị dịng điện, điện áp và
cơng suất trong mạch như sau:
-Điện áp hiệu dụng trên tải

Uc 

1



(
 

2U sin t ) 2 dt  U

Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều

2  2  sin 2
2

145


Trường Đại học SPKT Hưng n

Điện tử cơng suất_

-Dịng điện hiệu dụng qua tải
Ic 

Uc U

R
R

2  2  sin 2
2

-Công suất tác dụng cấp cho mạch tải:
Pc  U c  I c 

U 2  2  2  sin 2 
.

R 
2


-Như vậy ta thấy bằng cách thay đổi góc mở  từ 0 đến , người ta có thể điều
chỉnh được cơng suất tác dụng trên tải từ giá trị cực đại là Pmax

U2
đến Pmin  0 .

R

b>Tải hỗn hợp R + L:
Uc

Với tải R+L nguyên lý làm việc gần
giống tải thuần cảm, nhưng góc tắt dòng
phụ thuộc vào độ lớn của điện cảm tải.

0

2


t

- Theo nguyên lý làm việc klhi t = , ta
kích cho thyristor T1 dẫn dịng, khi đó có
dịng điện qua tải nên ta có được phương

UT1

trình điện áp như sau:
L

dic
 Ric  2U sin t
dt

2

0

t

-Giải phương trình trên có nghiệm :
ic

t


2U
sin(t   )  Ae tg

ic 
Z

2

0

Trong đó:
Z  R 2  X L2 ;

ic

( PT 1)



XL
R

tg 

i2

t

Hằng số tích phân A được xác định bởi

Hình 3.6: Dạng sóng điện áp và dòng

sơ kiện ic = 0, khi t =  thay vào (PT1)

điện mạch XAXC 1 pha với tải R + L.

ta tìm được:


2U
sin(   )  e tg
A
Z

Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều

146


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất_

Thay A vào (PT1) ta được biểu thức dịng điện tải có dạng:
t 


2U 
tg
ic 
sin(t   )  sin(   )e
 (PT2)
Z 



-Biểu thức trên đúng trong khoảng  < t < . Góc tắt dịng  được xác định bằng
cách thay điều kiện t = , và cho ic = 0 vào (PT2). Như vậy biểu thức ic được
viết:
 


2U 
tg
ic 
sin(    )  sin(   )e

Z 


- Để đảm bảo thyristor T1 phải được khóa lại trước khi cho xung điều khiển T2 mở.
thì góc  <  + . Ta nhận thấy nếu  <  thì dịng điện tải gián đoạn cịn    thì
dịng điện tải liên tục, khi đó khơng thay đổi được dịng điện và điện áp tải. Như vậy
để đảm bảo điều chỉnh được dòng điện và điện áp tải thì góc kích mở thyritstor
nằm trong khoảng    .
3.3. Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha
3.3.1. Đặc điểm và phạm vi ứng dụng bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha
Trong thực tế bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha thường được dùng để
điều khiển lò nhiệt, ttốc độ động cơ có cơng suất nhỏ hay khởi động động cơ...Về
cơ bản nguyên tắc điều khiển và các biểu thức được xây dựng như mạch một pha.
Khi sử dụng mạch điều áp xoay chiều ba pha cần lưu ý một số đặc điểm sau:

- Các sơ đồ điều chỉnh dòng điện xoay chiều ba pha nói chung đều là đơn
giản, do đó có hiệu quả khơng cao trong qua trình điều chỉnh dòng điện, điện

áp xoay chiều. Tuy nhiên dạng điện áp, dịng điện ra phụ thuộc rất nhiều vào
góc điều khiển và tính chất của tải, dạng điện áp ra cũng rất không sin.
-Phù hợp với các ứng dụng yêu cầu công suất vừa và nhỏ, nhất là đối với tẩi thuần
trở vì dạng điện áp khơng u cầu khắt khe.

-Với cơng suất lớn có thể áp dụng trong những trường hợp dải điều chỉnh hẹp,
hoặc quá trình điều chỉnh chỉ diễn ra trong thời gian ngắn ví dụ như trong các
bộ khởi động động cơ.
Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều

147


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất_

-Trong mọi trường hợp phải có biện pháp tránh ảnh hưởng của nhiễu ra ngồi
lưới điện, do dịng điện khơng sin, ví dụ như ta phải lắp thêm bộ lọc đầu vào.
-Có thể cải thiện đáng kể đặc tính của mạch nếu dùng các van điều khiển hồn
tồn. Khi đó việc điều chỉnh sẽ áp dụng phương pháp điều chế độ rộng xung ở
mỗi nửa chu kỳ điện áp lưới.
3.3.2. Mạch điều áp xoay chiều ba pha đấu hình sao có dây trung tính
a> sơ đồ ngun lý
A

B

C

T6

T4

T1

ZA

O

T2

T3

ZB

T5

ZC

Hình 3.7: Sơ đồ ngun lý mạch XAXC 3 pha đấu Y có dây trung tính
b> Ngun lý làm việc và dạng sóng dịng điện, điện áp
- Mạch điều áp xoay chiều ba pha đấu sao có dây trung tính ngun lý và dạng sóng
dịng điện, điện áp tương tự ba mạch điều áp xoay chiều một pha ghép lại. Dạng
song dòng điện và điện áp các pha không phụ thuộc nhau và điện áp rơi trên van
bằng điện áp pha. Các biểu thức tình tương tự mạch một pha.

Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều

148

Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất_

3.3.3. Mạch điều áp xoay chiều ba pha đấu hình sao khơng có dây trung
tính
a> sơ đồ ngun lý
A

B

C

T6

T4

T2

T3

T1

ZB

ZA

T5

ZC

Hình 3.8: Sơ đồ ngun lý mạch XAXC 3 pha đấu Y khơng có dây trung tính
b> Ngun lý làm việc và dạng sóng dịng điện, điện áp

-Để phân tích sự hoạt động của sơ đồ ta phải xác định lúc nào ba pha dẫn, lúc
nào chỉ có hai pha dẫn, cũng như khoảng dẫn của các van. Ta xét với tải thuần
trở đầu hình sao khơng có dây trung tính, tải đối xứng. Đồ thị dạng điện áp
trên tải với góc điều khiển  = 300 ;  = 600 và  = 900. như hình vẽ 3.9.
-Góc điều khiển trong mạch được tính từ thời điểm điện áp nguồn qua khơng.
ta cần lưu ý rằng trong hệ thống điện áp ba pha dịng điện có thể đi qua cả ba
pha hoặc chỉ hai pha. Khi dịng chảy qua cả ba pha thì điện áp trên mỗi pha
bằng điện áp pha. Còn khi dịng chảy qua hai pha thì điện áp trên các pha
tương ứng sẽ bằng một nửa điện áp dây.
- Để hiểu rõ hơn ta xét nguyên lý làm việc của mạch XAXC 3 pha với
mạch đấu hình sao tải điện trở đối xứng.
+ Trong khoảng 1    2 Khi đó dịng chảy qua cả ba pha, V1 dẫn pha A,
V6 dẫn pha B, V5 dẫn pha C nên ta có:
UZA = UA
Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều

149


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất_

+ Trong khoảng 2    3 Pha C dòng điện khơng thể chạy qua V5 được

nữa vì UC đã đảo chiều, nên chỉ còn V1 ở pha A dẫn dòng với V6 ở pha B.
do đó:
UZA = 1/2.UAB
+ Trong khoảng 3    4 Ở Pha C, V2 nhận được tín hiệu điều khiển nên
sẽ có 3 van dẫn ở ba pha là: V1, V2, V6. Do đó:
UZA = UA
+ Trong khoảng 4    5 ở pha B V6 khơng dẫn được nữa vì UB đã đảo
chiều chỉ cịn V1 và V2 dẫn. Do đó:
UZA = 1/2.UAC
+ Trong khoảng 5    6 Phân tích tương tự khi đó có 3 van dẫn là: V1,
V2, V3. Do đó:
UZA = UA
+ Trong khoảng 6    7 : UZA = 0.
-Bằng tính chất đối xứng có thể xác định được điện áp trên tải ZA trong
nửa chu kỳ cịn lại như hình3.9-a.

Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều

150


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất_

Ub

Ua

Uc

U
0

wt
a = 300

IG1

wt
G2

wt
IG3

wt
IG4

wt
IG5

wt
IG6

wt
UZA

Uab/2

Ua

Uac/2
wt

Hình 3.9-a> Dạng điện áp trên tải với góc điều khiển  = 300

Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều

151


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất_

Ub

Ua

Uc

U
0

wt
a = 600

IG1

wt

IG2

wt
IG3

wt
IG4

wt
IG5

wt
IG6

wt
UZA

Uab/2

Ua

Uac/2
wt

Hình 3.9-b>Dạng điện áp trên tải với góc điều khiển  = 600

Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều

152

Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất_

Ub

Ua

Uc

U
0

wt
a = 900

IG1

wt
IG2

wt
IG3

wt
IG4

wt
IG5

wt
IG6

wt
UZA

Uab/2

Ua

Uac/2
wt

Hình 3.9-c>Dạng điện áp trên tải với góc điều khiển  = 900
Từ q trình phân tích sở trên ta có vẽ được dạng sóng cho các trường hợp
góc kích ( = 600;  = 900) qua đó ta nhận thấy rằng:
+0    600 Có các giai đoạn hai van hoặc ba van cùng dẫn.
+60    900 Chỉ có các giai đoạn hai van cùng dẫn.
+90   1500 Có các giai đoạn hai van dẫn hoặc khơng có van nào dẫn cả.
Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều

153


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất_

- Từ đường cong điện áp tải ta có thể tính được giá trị điện áp hiệu dụng trên

các pha tải:
+ Với 0    600 ta có:
U AN  2U

1  3
sin 2 

(


)
  2 4
2 

+Với 60    900 :
U AN  2U


3  3
3
   sin 2 
cos 2 
4 3 4
4


+Với 90    1500 :
U AN 

2U

2

1  5
3 3
3Sin 2 
cos 2 
  3 

2
4
4 

Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều

154


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất_

3.4. Bài tập ứng dụng chương 3

Bài 3.1
Bộ biến đổi áp xoay chiều một pha cấp nguồn cho tải thuần trở R=10.
Nguồn xoay chiều có trị hiệu dụng bằng 220V, 50Hz. Góc điều khiển
 = /2 [rad]
a. Tính trị hiệu dụng áp tải
b. Tính cơng suất tiêu thụ của tải
c. Tính hệ số công suất

d. Để đạt được công suất tải bằng 0,4 kW, tính độ lớn góc kích .
e. Tính các thông số định mức linh kiện sử dụng

Bài 3.2
Công tắc xoay chiều ba pha dùng đóng cắt cho tải 3 pha đấu hình sao. Cơng
suất tải P = 20kW, hệ số cơng suất Cos = 0,707. Tính các thơng số định
mức áp và dòng cho linh kiện. Biết áp nguồn có trị hiệu dụng áp dây 440V .

Bài 3.3
Bộ biến đổi áp xoay chiều một pha được điều khiển theo phương pháp tỉ lệ
thời gian. Cho biết áp nguồn xoay chiều có U = 220V,  = 314 rad/s. Thời
gian đóng 1s, thời gian ngắt 0,5s. Tải thuần trở R = 50 . Hãy tính điện áp
hiêu dụng trên tải và công suất tác dụng của tải.

Bài 3.4
Một mạch điều áp xoay chiều một pha dùng triac với tải thuần trở. Biết điện
áp đặt vào mạch; U = 220V; f = 50HZ; R = 31 
a> Vẽ sơ đồ nguyên lý và đường biểu diễn điện áp tải khi góc mở  = 600
điện.
b> Tính giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải theo góc mở.
Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều

155


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất_

Bài 3.5

Một mạch điều chỉnh điện áp 3 pha dùng 3 triac để điều khiển cho một tải
thuần trở. Biết tải có công suất là 15KW, giá trị hiệu dụng điện áp dây của
nguồn xoay chiều là 415V. Hãy xác định:
a> Giá trị dòng điện hiệu dụng chảy qua mỗi triac.
b> Nếu thay mỗi triac thành 1 cặp thyritstor đấu song song ngược, tính
dịng điện hiệu dụng chảy qua mỗi Thyritstor.
Bài 3.6
Thiết bị điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha dùng thyritstor cấp nguồn cho
một tải thuần cảm. Cho trị hiệu dụng của điện áp nguồn U=220v; f=50Hz, tải
L =1mH; α =60o ;α = 90o ; α =120o.
a) Vẽ các dạng sóng biểu diễn điện áp, dịng điện trên tải và điện áp trên mỗi
thyritstor uT
b) Tính trị trung bình và trị hiệu dụng của dòng điện tải và của dòng
thyritstor.

Bài 3.7
Cho bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha dùng thyritstor cấp cho lị
điện trở có cơng suất định mức là 20kW. Cho điện áp dây hiệu dụng của
nguồn là 380 V. Hãy xác định:
a) Vẽ dạng sóng dịng điện, điện áp trên pha a của tải. biết α=30o; α=60o;
α=90o;
b) Trị hiệu dụng của dòng điện chảy trong mỗi van.
c) Biểu thức tính cơng suất P trên tải theo góc α. Biết α = 45o tính P đó.

Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều

156


Trường Đại học SPKT Hưng Yên

Điện tử công suất_

Bài 3.8
Thiết bị điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha dùng thyritstor cấp nguồn cho
một tải trở cảm R = 4 Ohm, L= 9,55mH; α = 900. Cho trị hiệu dụng của điện
áp nguồn U=110V; f=50Hz.
a) Vẽ các dạng sóng biểu diễn điện áp, dòng điện trên tải và điện áp trên mỗi
thyritstor uT
b) Tính trị trung bình và trị hiệu dụng của dòng điện tải và của dòng
thyritstor.

Bài 3.9
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều một pha tải R với thơng số: nguồn ac có trị
hiệu dụng áp pha 240V, f=50Hz, điện trở tải R=45. Xác định góc kích để
cơng suất tải bằng 800W.

Chương3 Biến đổi điện áp xoay chiều

157