Đang tải... (xem toàn văn)
Më ®Çu Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất Chương4 Biến đổi điện áp một chiều 165 CHƯƠNG 4 BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 4 1 Khái quát chung, luật điều khiển và phân loại a> Khái quát chung Bộ.
Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ CHƯƠNG BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 4.1 Khái quát chung, luật điều khiển phân loại a> Khái quát chung Bộ biến đổi điện áp chiều hay gọi băm xung điện áp chiều, sử dụng để biến đổi nguồn điện áp chiều không đổi thành nguồn điện áp chiều thay đổi để cấp điện cho phụ tải chiều Trong truyền động điện chiều giao thông đường sắt, ôtô điện, cầu trục, việc điều chỉnh tốc độ động điện chiều với mục đích khác nhau, người ta thường sử dụng phương pháp điều chỉnh dịng điện điện áp trung bình phương pháp đóng cắt tự động Tùy thuộc vào thời gian đóng Tđ thời gian cắt Tc chu kỳ T, mà ta có dịng điện điện áp trung bình tải khác b> Nguyên lý chung K Ut i U0 I1 L R Ic Uc ic D I2 iD t Td Tc Thời gian độ T Hỡnh4.1: S nguyờn lý chung mạch băm xung điện áp chiều dạng điện áp , dòng điện tải Nguyên lý hoạt động sơ đồ sau: Giả sử tải cung cấp nguồn điện chiều U0 thông qua mạch đóng cắt tự động K, thực tế khố K transistor, thyristor, Mosfet hay IGBT Tại thời điểm ban đầu K mở, điện áp tải không Trong chu kỳ t định, khóa K đóng giữ Chương4 Biến đổi điện áp chiều 165 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ khoảng thời gian Tđ Sau khóa K cắt khoảng thời gian Tc Khóa K đóng cắt tương tự cho chu kỳ sau Như vài chu kỳ đầu dòng điện mạch dòng điện độ, sau đo tiến tới chế độ xác lập Khi K đóng điện áp tải xung điện áp chữ nhật, có bề rộng xung Tđ khoảng cách xung Tc Thay đổi bề rộng Tđ xung khoảng cách xung điện áp trung bình tải xẽ thay đổi Dịng điện tải phụ thuộc vào tính chất tải chế độ độ biến đổi theo quy luật hàm số mũ Trong giai đoạn xác lập dòng điện tải có dạng xung cưa, dao động quanh giá trị cực đại I1 giá trị cực tiểu I2 Nếu gọi T chu kỳ đóng cắt, Tđ thời gian đóng , tc thời gian cắt ta có: T = T c + Tđ Nếu gọi = Tđ / T tỷ số đóng chu kỳ thì: Tđ = .T Khi điện áp trung bình tải: UC U Tđ U T Từ biểu thức ta nhận thấy điện áp tải thay đổi phương pháp: + Thay đổi thời gian đóng Tđ hay thay đổi thời gian cắt Tc giữ nguyên chu kỳ đóng cắt T + Thay đổi tần số đóng cắt giữ nguyên thời gian đóng Như ta thầy biến đổi điện áp chiều thay đổi điện áp đầu Tuy nhiên sử dụng cần lưu ý số đạc điểm biến đổi XADC: - Mạch gọn nhẹ, đơn giản hiệu suất cao - Chất lượng điện áp tốt so với biến đổi AC-DC - Cần sử dụng lọc chiều đầu tải làm tăng qn tính trễ biến đổi làm việc với hệ kín - Tần số đóng cắt lớn gây ảnh hưởng đến nguồn cung cấp thiết bị khác - Độ tin cậy cao, dễ hiệu chỉnh khả làm việc ổn định Với đặc điểm biến đổi XADC sử dụng rộng rãi thiết bị điều chỉnh ổn định tốc độ động chiều, lò sấy hay điều chỉnh dịng kích thích động máy phát điện Chương4 Biến đổi điện áp chiều 166 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ c> Phân loại sơ đồ cấu trúc biến đổi điện áp DC Có nhiều cách phân loại biến đổi điện áp chiều, tuỳ thuộc vào đặc điểm mắc van cơng suất phân loại theo điện áp tăng hay giảm so với điện áp đầu vào phân loại theo chiều điện áp, dòng điện mạch… Trên sở ta phân loại biến bổi điện áp chiều sau: + Mạch xung áp nối tiếp + Mạch xung áp song song + Mạch xung áp tăng áp + Mạch xung áp giảm áp + Mạch xung áp đảo dòng + Mạch xung áp kép ( có đảo chiều) Tuy có nhiều cách phân loại mạch xung áp chiều có cấu trúc chung hình vẽ: Nguồn DC Mạch Lọc vào Van CS Mạch lọc ĐK Tải Đo lường Hình4.2: Sơ đồ cấu trúc chung mạch biến đổi điện áp DC - Khối nguồn DC thường lấy từ bình Acquy hay chỉnh lưu - Mạch lọc đầu vào thường dùng mạch lọc LC để san phẳng điện áp đàu vào - Van công suất dùng Tranzitor, thyritstor, GTO, Mosfet, IGBT…vv Việc chọn van tuỳ thuộc vào công suất yêu cầu công nghệ cụ thể - Mạch lọc đầu thường dùng cuộn cảm L để san phẳng dòng điện tải - Phụ tải thường động điện chiều - Khối đo lường có nhiệm vụ đo kiểm tra thơng số dịng điện, điện áp tải - Khối điều khiển (ĐK) có nhiệm vụ điều khiển hay điểu chỉnh van cơng suất để dáp ứng u cầu dịng hay áp đầu tải Chương4 Biến đổi điện áp chiều 167 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ 4.2 Mạch xung áp đơn nối tiếp 4.2.1.Mạch xung áp chiều nối tiếp, đóng cắt dùng thyristor: a>Sơ đồ nguyên lý: -Mạch gồm có hai thyristor T1 + T2 Trong T1 phần tử T1 + - đóng cắt chính, cịn T2 C Z U0 thyristor phụ dùng để tắt T1 T2 Dc Lc Dr DC; LC tụ điện C - phần tử chuyển mạch, Dr diode hoàn lượng Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch xung áp đơn nối trường hợp tải có điện cảm tiếp dùng thyristor U0 iG t Uc t1 Td t2 t3 t t2 t3 t Tc t1 T Ic I1 ∆IC I2 IT1 IDr t t t Hình 4.4: Dạng sóng dịng điện điện áp với tải R+L+E mạch xung áp đơn Chương4 Biến đổi điện áp chiều 168 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ b>Nguyên lý làm việc mạch xung áp đơn nối tiếp dùng thyristor: Đê thuận lợi cho q trình phân tích ta giả thiết mạch làm việc chế độ xác lập dòng điện tải đảm bảo liên tục Ban đầu T1 trạng thái cắt Khi điện áp tải không, tụ điện C nạp qua T2 theo chiều phân cực hình vẽ 4.3 Khi cho xung điều khiển vào cực G T1, lúc T1 mở, điện áp đặt lên tải Dòng điện từ dương nguồn qua T1, qua tải tới âm nguồn Khi T1 mở tụ điện C phóng điện qua T1; LC; DC, nạp ngược lại nhờ sức điện động tự cảm cuộn dây LC Điện áp tải uC = U0 Sau khoảng thời gian Tđ = .T ta kích xung điều khiển mở T2 Khi T2 mở tụ C đặt điện áp ngược lên T1 thông qua T2 làm cho T1 bị khóa lại Điện áp tải không, tụ C nạp điện thời điểm ban đầu Sau khoang thời gian Tc ta lại tiếp tục kích xung cho T1 mở, qua trình tiếp tục vạy cho chu kỳ sau Như điện áp trung bình tải xác định theo biểu thức: UC U Tđ U T Còn dòng điện qua mạch phụ thuộc vào tính chất tải: a>Trường hợp tải R+L: Nếu có cuộn cảm L tải , dịng điện tải tăng lượng tích lũy dạng lượng từ trường WL WL L.ic Khi dòng điện iC giảm người ta dùng diode Dr để hoàn trả lượng nguồn Sau vài chu kỳ độ, dòng điện iC, dẫn đến chế độ xác lập, dao động xung quanh giá trị dịng cực đại I1, dịng cực tiểu I2 hình 4.4 Khi T1 dẫn điện phương trình điện áp mạch có dạng: U0 L diC RiC dt (PT1) T1 dẫn điện dòng điện tăng dần từ I2 đến I1 Khi T1 ngắt điện phương trình điện áp mạch có dạng: Chương4 Biến đổi điện áp chiều 169 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ L diC RiC dt T1 ngắt điện dòng điện giảm dần từ I1 đến I2 Nếu coi gần ic = Ic dịng điện trung bình tải xác định cách lấy TP hai vế PT1 ta được: IC U R b>Trường hợp tải R+L+E: Khi có thêm nguồn chiều E tải, phương trình điện áp mạch T1 dẫn có dạng: U0 L diC RiC E dt Nếu giả thiết dòng tải phẳng liên tục viết: I T T T U0 đ L R E dic ic dt dt dt T I2 T T T 0 RI c E U Do ta có: Ic ( U E ) R (BT1) * Xác định giá trị dòng điện I1 I2 theo phương pháp gần Giá trị dòng điện cực tiểu I2 cực đại I1 xác định phương trình điện áp T1 đóng cắt Để đơn giản, tính gần ta coi Ric = RIc ta có: diC RiC E dt di U L C RI C E dt di U0 E L C dt IC R U0 L U0 E L ( U E ) Thay Ic vào (BT1) ta được: R R di L C (1 )U dt Lấy tích phân ( BT2) ta được: ic diC dt ( BT 2) (1 )U t I2 L Chương4 Biến đổi điện áp chiều 170 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ Tại thời điểm t = Tđ = .T ic = i1 ta có: I1 T (1 )U L I2 Để tìm giá trị I2 ta xét T1 khóa: 0L diC RiC E dt Ic L ( U E ) R EL diC U dt diC dt R ( BT 3) U (t T ) I1 L Lấy TP (BT3) ta được: ic Tại thời điểm t = T ic = I2 nên ta có: I T U (1 ) I1 L - Dòng điện tải ic dao động xung quanh giá trị trung bình Ic giưa hai giá trị I1 I2 vậy: I c ( I1 I ) U E (*) R Nếu gọi độ dao động dòng điện tải Ic chênh lệch dòng điện cực đại I1 dòng điện cực tiểu I2 ta có: I c ( I1 I ) (1 ) U T 2L (**) +Từ biểu thức (*) (**) ta xác định được: I1 I c I c I I c I c Từ biểu thức (**) ta thấy chu kỳ băm xung T không đổi độ mấp mơ Ic hàm số , ta có: dI c (1 ) U T (1 ).U T U T (***) d 2L 2L 2L ' Ta thấy để Ic nhỏ dI c ; tương ứng max thay vào (***) ta tìm d được: max = 0,5 thay vào (**) ta được: I c max U T 8L Vậy muốn giảm độ mấp mơ dịng điện ta phải tăng tần số băm tăng L Tần số băm điện áp thường lấy khoảng 200HZ đến 600HZ Chương4 Biến đổi điện áp chiều 171 Trường Đại học SPKT Hưng n Điện tử cơng suất_ Trong sơ đồ có sử sụng diode hồn lượng nên dịng điện qua nguồn khác dòng điện qua tải +Dòng điện trung bình qua nguồn xác định biểu thức: I I c Td I c T +Dịng điện trung bình qua diode hồn lượng xác định biểu thức: ID I c Tc (1 ) I c T +Cơng suất tiêu thụ nguồn là: P U I U I c +Công suất tiêu thụ tải xác định theo biểu thức: Pc U c I c U I c Từ biểu thức xác định công suất ta thấy Pc = P Điều cho thấy hiệu suất đóng cắt nguồn chiều cao Trong thực tế ta phải kể đến hao tổn thiết bị đóng cắt, hao tổn nhỏ nên bỏ qua +Trong mạch điện dung tụ xác định cơng thức thực nghiệm: C icm L0icm U t f 4U t f 2U [(1 ) 1] L0icm +Trong đó: icm dịng điện tải cực đại tf = (0,2-0,5) tOFF (tOFF : thời gian cắt Thyristor) L0 =100H điện cảm ký sinh trình lắp ráp +Điện áp lớn tụ C xác định theo biểu thức: (L ) U c0 U c C +Điện cảm Lc xác định theo biểu thức: U Lc C c icm Chương4 Biến đổi điện áp chiều 172 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ 4.3 Mạch xung áp đơn song song a>Sơ đồ nguyên lý nguyên lý làm việc: Bộ xung áp song song thường sử dụng cho tải động điện chiều làm việc chế độ hãm tái sinh Khi làm việc chế độ hãm tái sinh, động làm việc giống máy phát điện chiều, hồn trả lượng tích lũy làm việc chế độ động lưới điện Sơ đồ nguyên lý xung điện áp song song mơ tả hình 4.5: + Ie D Id Ud IH L U0 Td T1 R E - + - Tc T t Ie Hình 4.5: Sơ đồ mạch xung áp song song +Sơ đồ gồm: Thiết bị đóng cắt thyristor T1, tải động chiều (R+L+E), diode D dùng để chống dòng ngắn mạch t IH T1 dẫn t Hình 4.6: Đồ thị điện áp dịng điên mạch xung áp song song Chương4 Biến đổi điện áp chiều 173 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ * Nguyên lý làm việc: Giả sử trước tải máy điện chiều làm việc chế độ động sau người ta muốn dừng máy phương pháp hãm tái sinh Bằng cách người ta đưa mạch xung áp song song vào mạch điện hình 4.3-1 -Trong khoảng thời gian < t < Tđ, ta điều khiển cho T1 mở , có dịng điện chạy qua thyristor T1, dòng điện chạy qua tải Id Diode lúc khóa bị phân cực ngược -Nếu ta gọi Ie dòng điện trở nguồn, ta có:( ie = 0; Ud =0, IT1 = Id) -Trong khoảng thời gian Tđ < t < T, ta điều khiển cho T1 khóa , Diode mở cho dịng điện ie trở vê nguồn, ta có:( ie = Id; Ud =U0, IT1 = 0) -Đồ thị dòng điện, điện áp biểu diễn hình 4.3-2 b>Các giá trị dịng điện, điện áp mạch: +Điện áp chiều trung bình tải xác định theo biểu thức sau: T Ud U dt (1 )U T T +Giá trị dịng điện trung bình hồn trả nguồn: T Ie I d dt (1 ) I d T T +Giá trị dòng điện trung bình qua thiết bị đóng cắt: IH T T I d dt I d +Khi làm việc chế độ hãm tái sinh phương trình điện áp mạch có dạng sau: U d E RI d Lid di dt (PT1) +Lấy tích phân hai vế (PT1) ta xác định dòng điện chạy qua taỉ: Id (E Ud ) R Chương4 Biến đổi điện áp chiều 174 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử cơng suất_ 4.4 Mạch xung áp đảo dịng a>Sơ đồ nguyên lý nguyên lý làm việc: Bộ xung áp đảo dòng gồm hai xung áp nối tiếp xung áp song song ghép lại với nhau, cho phép truyền lượng theo chiều thuận, ngược Nguồn cung cấp cho xung áp đảo dòng nguồn chiều U0 Tải máy điện chiều làm việc chế độ, chế độ máy phát chế độ động Sơ đồ nguyên lý xung áp đảo dịng trình bày hình vẽ 4.7 2 = D + M 0,25 0,5 0,75 T1 Id L U0 i D1 T2 1 = R E - + - 0,75 0,5 0,25 Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý xung áp đảo dịng Hình 4.8: Họ đường đặc tính động điện chiều, làm việc với xung áp đảo dòng *Nguyên lý làm việc: -Gọi 1, 2 tỷ số đóng chu kỳ tương ứng với van T1, T2, nguyên lý làm việc mạch sau: -Khi tải làm việc chế độ động điều khiển cho T1 dẫn cịn T2 khóa khoảng thời gian 1T chu kỳ đóng cắt +Khi phương trình điện áp mạch có dạng: E U d RI d 1U RI d (Với Id>0) +Điện áp trung bình tải xác định theo biểu thức: U d 1U -Khi tải làm việc chế độ máy phát điều khiển cho T2 dẫn cịn T1 khóa khoảng thời gian 2T chu kỳ đóng cắt Chương4 Biến đổi điện áp chiều 175 Trường Đại học SPKT Hưng n Điện tử cơng suất_ +Khi phương trình điện áp mạch có dạng: E U d RI d 2U RI d (Với Id ED Máy điện chiều làm việc góc phần tư thứ (chế độ động cơ) Năng lượng cấp cho động lấy từ nguồn thông qua van T T2 dẫn khoảng (0 ÷ t1) Trong thời gian cịn lại chu kỳ (t1 ÷ T), lượng tích trữ điện cảm trì cho dịng điện theo chiều cũ khép mạch qua T2và D4 (Hình 4.10-f) Dịng điện tải mơ tả hình đường nét liền - Trạng thái 2: E.γ < ED Máy điện làm việc góc phần tư thứ hai (chế độ hãm) Trong khoảng thời gian (0 ÷ t1), động trả lượng nguồn thông qua diode D1 D2 (ID1 = ID2 = It; đường It đường nét đứt sơ đồ hình) Trong khoảng (t1 ÷ T), dịng tải khép mạch qua T4 (T4 dẫn) D2 (ID2 = IT4 = It), dịng tải có dạng Hình 4.10-h - Trạng thái 3: E.γ = ED Trong khoảng (0 ÷ t0), E.γ < ED nên động hãm trả lượng nguồn qua diode D1 D2 (iD1 = iD2 = it) Trong khoảng (t0 ÷ t1), E.γ > ED nên động chuyển sang làm việc chế độ động Năng lượng từ nguồn qua van T T2 cấp cho động (iT1 = iT2 = it) Trong khoảng (t1 ÷ t2), lúc T1 bị khóa, T4 kích mở chưa dẫn Năng lượng tích trữ điện cảm cấp cho động trì dịng điện qua T2 D4 (iT2 = iD4 = it) Trong khoảng (t2 ÷ T), lượng dự trữ điện cảm hết, sức điện động động đảo chiều dòng điện dòng tải khép mạch qua T D2 (iT4 = iD2 = it) Quá trình tạo tích lũy lượng điện cảm T bị khóa UAB > E trình lặp lại ban đầu Muốn động làm việc theo chiều ngược lại, luật điều khiển van thay đổi ngược lại Hình vẽ 4.11 diễn tả luật điều khiển mạch xung áp kép không đối xứng Chương4 Biến đổi điện áp chiều 178 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ UG3 +E t O _ E UG2 O +E _ t E UG4 O +E t _ t UG1 O E Hình 4.11: Luật điều khiển đảo chiều Bài tấp ứng dụng chương Bài 4.1 Một mạch xung áp đơn chiều nối tiếp hình vẽ Mạch tải gồm điện trở R mắc nối tiếp với điện cảm L sức điện động E Diode hoàn lượng mắc song song ngược với tải Biết U = 750V; L = 5mH; E = 600V; R = 0.1 , tỷ số chu kỳ = 0,866, tần số băm xung f = 200HZ U + H ic L Uc E R + - Dr iD - a> Tính giá trị trung bình dịng điện tải IC, dòng điện qua diode ID độ nhấp nhơ dịng tải IC b> Do cố nên điện áp nguồn chiều giảm xuống 675V, phải chỉnh ’ để giữ giá trị trung bình đặt tải cũ c> Nếu giữ nguyên khoảng thời gian đóng cắt thiết bị tần số f’ phải để giữ giá trị trung bình đặt tải cũ Chương4 Biến đổi điện áp chiều 179 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ Bài 4.2 Bộ giảm áp cấp nguồn áp cho phần ứng động chiều kích từ độc lập Nguồn chiều U = 220V, tần số đóng ngắt f = 500Hz Tải động có Rư = Lư lớn sức điện động E = 1,253 [V;rad/s] Moment động ln định mức, tức Iưdm=11,6[A] a Tính tỉ số T1/T vận tốc động 1000 vịng/phút b Tính điện áp tải nhỏ chế độ dịng tải liên tục, từ xác định thời gian đóng tối thiểu T1 chế độ dịng liên tục Bài 4.3 Một mạch xung áp đơn chiều nối tiếp hình vẽ Mạch tải gồm điện trở R mắc nối tiếp với điện cảm L sức điện động E Diode hoàn lượng mắc song song ngược với tải Biết U = 750V; L = 5mH; E = 600V; R = 0.1 , tỷ số chu kỳ = 0,866, tần số băm xung f = 200HZ U + H ic L Uc E R + - Dr iD - a> Tính độ nhấp nhơ dịng tải IC theo cơng thức xác Bài 4.4 Cho giảm áp cấp nguồn cho động chiều kích từ độc lập Nguồn chiều U = 220V Tải có Rư nhỏ khơng đáng kể Lư = 32,5 mH Sức điện động E =1,253 [rad/s] vận tốc động Tần số đóng ngắt giảm áp f = 500Hz Cho biết dòng tải liên tục mạch xác lập Tính tỉ số = T/T1 vận tốc động n = 1500 v/ph Gọi itmin itmax trị nhỏ lớn dòng điện qua tải Tính hiệu it = itmax - itmin Để giảm bớt độ nhấp nhơ dịng điện i t cho it < 1A cần phải thêm cảm kháng phụ Trong trường hợp không sử dụng thêm cảm kháng phụ, cần phải điều chỉnh tần số đóng ngắt để it < 1A Một cách tổng quát, E thay đổi khoảng ( 0, +U), tìm điều kiện f L để độ nhấp nhơ dịng xác lập thỏa điều kiện it < itmax Chương4 Biến đổi điện áp chiều 180 ... động máy phát điện Chương4 Biến đổi điện áp chiều 166 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ c> Phân loại sơ đồ cấu trúc biến đổi điện áp DC Có nhiều cách phân loại biến đổi điện áp chiều,... T1 dẫn điện phương trình điện áp mạch có dạng: U0 L diC RiC dt (PT1) T1 dẫn điện dòng điện tăng dần từ I2 đến I1 Khi T1 ngắt điện phương trình điện áp mạch có dạng: Chương4 Biến đổi điện áp... IT1 IDr t t t Hình 4.4: Dạng sóng dịng điện điện áp với tải R+L+E mạch xung áp đơn Chương4 Biến đổi điện áp chiều 168 Trường Đại học SPKT Hưng Yên Điện tử công suất_ b>Nguyên lý làm việc mạch xung