BÀI GIẢI bài tập CHƯƠNG 2 điện tử công suất

BÀI TẬP CHƯƠNG 2: BỘ CHỈNH LƯU Lưu ý: Mạch tương đương chỉnh lưu (1 pha, pha) tải (R+L+E) với điện áp trung bình ngõ Vd dịng trung bình ngõ Id hình Trong mạch này, diode nhằm mục đích lưu ý dòng điện Id chạy theo chiều từ nguồn  tải Mạch áp dụng để giải toán chỉnh lưu chế độ xác lập Từ đây, suy phương trình mạch: Vd  RI d  E Trong trường hợp mạch làm việc chế độ dòng liên tục, Vd hàm theo góc kích α, mà khơng phụ thuộc vào giá trị R, L E (xem lại công thức phần lý thuyết) Id R Vd E Hình Chỉnh lưu pha Bài 1: Tính dịng trung bình qua tải Id Sinh viên tự vẽ mạch tương đương chỉnh lưu tải với điện áp trung bình ngõ Vd dịng trung bình ngõ Id, từ suy ra: Vd  RI d Trong đó: Vd  Vậy: I d  2Vm   2V   2  220   198V Vd 198   19.8 A R 10 Tính giá trị id Theo đề bài, dợn sóng dịng tải gây chủ yếu sóng hài có bậc thấp dịng tải, mà sóng hài dịng gây điện áp hài áp tải vd Từ công thức: vd (t )  Vd   V n  2,4 Trong đó: Vd  n cos( ns t   ) 2Vm  Vn  2Vm  1   , với Vm  V , s  2 f s    n  n   Suy hài bậc thấp vd tương ứng với n =  f2 = 2.50Hz = 100Hz Từ đây, ta có: V2,m  2Vm  1  2  220  1         132V   n 1 n 1   1 1 Điện áp hài bậc n=2 nói gây dòng hài tương ứng ngõ cầu chỉnh lưu (bỏ qua sóng hài khác, theo đề bài)  tạo nên độ dợn sóng dịng tải id Từ đây, độ dợn sóng dịng tải id tính sau: id  I 2,m  V2,m R  (2 L)  132 10  (2 (2  50)  0.01) 2  11.18 A Tính cơng suất tiêu thụ tải Tương tự cách tính dịng hài bậc n=2 trên, dịng hài bậc n = tính sau: V4,m  2Vm  1  2  220  1         26.4V   n 1 n 1   1 1 V4,m I 4,m  R  (2 L)  26.4 102  (2 (4  50)  0.01)  1.64 A Giá trị hiệu dụng dòng tải ngõ chỉnh lưu: 2  11.18   1.64  I d ,rms  I d2   I n2,rms  19.82        21.35 A     n Nếu tính với dịng hài bậc n = 2, ta có:  11.18  I d ,rms  19.8     21.32 A   Điều cho thấy giả thiết đề hợp lý xem có dịng hài bậc thấp id đáng kể Từ suy công suất tiêu thụ tải: Pd  R I d2,rms  10  21.32  4545.4W Tính hệ số cơng suất ngõ vào chỉnh lưu Trị hiệu dụng dòng nguồn: I s ,rms  2 2  is d   2    i d  ( id ) d    d  2  2   2  i d  I d d , rms ,   t Hệ số cơng suất ngõ vào chỉnh lưu: PF  P Pd 4545.4    0.97 S Vs ,rms  I s ,rms 220  21.32 Tính giá trị cần thiết cuộn cảm L muốn độ dợn sóng dòng tải thỏa điều kiện id  10% Id Theo điều kiện độ dợn sóng dịng id cho, cơng thức tính id trên, ta có: V2,m id  R  (2 L)  10% I d Suy giá trị cần thiết L là:  V2 m   0.1I   R d   L 2  132     10  0.1  19.8    0.105 H  105mH (2  (2  50)) Bài 2: Dạng sóng vd, id, is hình Lưu ý trường hợp tải trở này, giá trị tức thời dòng ngõ là: id  vd R Do đó, dạng dịng ngõ id giống dạng áp ngõ vd  Khi vd = id =  cặp SCR dẫn (ví dụ: T1, T2 bán kỳ dương vs) tắt vs = bán kỳ  điện áp ngõ vd dòng ngõ id zero cặp SCR khác (ví dụ T3, T4 bán kỳ âm vs) kích dẫn Quá trình lặp lại chu kỳ áp nguồn vs Trị trung bình điện áp ngõ (xem dạng vd hình 2): Vd     2V sin(t )d (t )   V (1  cos  )  0.45V (1  cos  ) , đó: V: trị hiệu dụng áp nguồn xoay chiều cung cấp cho cầu chỉnh lưu Từ biểu thức trên, sinh viên tự vẽ quan hệ Vd (α), lưu ý vẽ với α khoảng 0π Với góc kích    , tính trị trung bình trị hiệu dụng dịng tải id Trị trung bình dịng tải: Id  Vd R Trị hiệu dụng dòng tải: I d ,rms    i d d (t )     V sin(t )  V  sin(2 ) 1  , α: góc kích (rad)   d (t )   R R 2     Với góc kích    , ta tính được: Vd  0.45  220  (1  cos  3)  148.5V , suy ra: Id  Vd 148.5   14.85 A 10 R I d ,rms   3  sin(2  3)  19.73 A 220 1  10 2 Trị hiệu dụng dòng ngõ vào chỉnh lưu: I s ,rms  I d ,rms (S/v tự chứng minh quan hệ trên, lưu ý is  id T1 T2 dẫn, is   id T3 T4 dẫn) Công suất thực P nguồn vs = công suất Pd ngõ chỉnh lưu (bỏ qua tổn hao cầu chỉnh lưu) Ngoài ra, tải điện trở nên: P  Pd  RI d2,rms Công suất biểu kiến ngõ vào: S Vs ,rms  I s ,rms  V  I d ,rms Từ suy hệ số cơng suất ngõ vào chỉnh lưu cho là: HSCS  P  sin(2 )   1  = 0.9 (với   ) S 2  Hình (Góc kích α = π/2) Bài 3: Cho biết góc kích α = 40o, mạch hoạt động chế độ dịng liên tục Trị trung bình dịng ngõ trị hiệu dụng sóng hài dòng ngõ Sinh viên tự vẽ mạch tương đương chỉnh lưu tải với điện áp trung bình ngõ Vd dịng trung bình ngõ Id, từ suy ra: Vd  RI d Trong đó: Vd  Vậy: I d  2V  cos   2  220  cos 40o  151.7V Vd 151.7   15.17 A 10 R Sinh viên tự vẽ mạch tương đương sóng hài điện áp vd với tải R+L ngõ chỉnh lưu, từ suy cơng thức tính trị hiệu dụng dịng hài bậc n sau: I n ,rms  Vn Zn Trong đó: - Vn tính theo Vm  2V , suy từ đồ thị hình phần tập - Z n  R  (ns L) Ta lập bảng sau: n Vn (V) 202.15 71.53 46.65 31.1 Zn (Ohm) 63.6 126 188.7 251.4 In, rms (A) 2.25 0.4 0.18 0.09 Công suất nguồn cung cấp Công suất nguồn = công suất tải (bỏ qua tổn hao chỉnh lưu), đó: P  Pd  RI d2,rms Trong đó: I d ,rms  I d2   I n2,rms  15.172  2.252  0.4  0.182  0.09  15.34 A n Vậy công suất nguồn cung cấp cho chỉnh lưu là: P  Pd  RI d2,rms  10  15.342  2353.2 W Hệ số công suất ngõ vào chỉnh lưu Sinh viên tự chứng minh với cầu chỉnh lưu pha điều khiển tồn phần, ta có trị hiệu dụng dòng ngõ vào chỉnh lưu: I s ,rms  I d ,rms = 15.34 A Từ suy hệ số công suất mạch: PF  P Pd 2353.2    0.7 S Vs ,rms  I s ,rms 220  15.34 Bài 4: Dạng sóng vd, id, vT1 is hình Với dạng sóng vd, id, is, sinh viên xem lại phần lý thuyết Với dạng sóng vT1, lưu ý là: - Khi T1 dẫn (T3 tắt): vT  - Khi T3 dẫn (T1 tắt): vT  vs Từ suy dạng sóng vT1 hình Hình Tính trị trung bình trị hiệu dụng dịng tải id, hệ số công suất ngõ vào cầu chỉnh lưu Vì id phẳng nên trị trung bình dòng tải id = trị hiệu dụng id (SV tự chứng minh điều này), nghĩa Id = Id,rms Ngoài ra, với    / , ta có: Vd  2  V cos     220  cos    140V  4 2 Từ mạch tương đương tải với giá trị trung bình áp dịng tải, ta suy ra: I d ,rms  I d  Vd  E 140  100   8A R Công suất thực P ngõ vào chỉnh lưu = công suất ngõ chỉnh lưu Pd (bỏ qua tổn hao cầu chỉnh lưu) Ngồi ra, dịng id phẳng nên: P  Pd  Vd I d  2  V cos   I d Công suất biểu kiến ngõ vào chỉnh lưu: S  Vs ,rms  I s ,rms  V  I d (SV tự chứng minh Is,rms = Id) Từ biểu thức trên, suy hệ số công suất ngõ vào chỉnh lưu tính theo cơng thức sau: HSCS  P 2    cos    0.636 (với   )   S 4 Bộ chỉnh lưu lúc hoạt động chế độ chỉnh lưu (do góc kích απ/2), chiều truyền cơng suất là: tải  nguồn Dạng sóng vd, id, vT1 is tương tự hình với góc kích   104.6o (SV tự vẽ) Bài 5: Dạng sóng vd, id, vT1 is hình Với dạng sóng vd, id, is, xem lại phần lý thuyết Với dạng sóng vT1, lưu ý là: - Khi T1 dẫn (T3 tắt): vT  - Khi T3 dẫn (T1 tắt): vT  vs Hình Theo giả thiết đề bài, dòng tải id phẳng (nghĩa mạch hoạt động chế độ dịng liên tục) nên ta có: Vd   V (1  cos  ) Từ đồ thị hình (suy từ hình 4) suy cách tính trị hiệu dụng dịng ngõ vào Is, rms sau: I s ,rms  2 2  is d (t )   2      I d t ; α: góc kích (rad) ( ) (  I d ) d (t )    I d   d   2      Hình Cơng suất ngõ vào chỉnh lưu P = công suất ngõ Pd (bỏ qua tổn hao cầu chỉnh lưu) Vì dịng id phẳng nên cơng suất ngõ tính sau: P  Pd  Vd I d Công suất biểu kiến ngõ vào chỉnh lưu: S  Vs ,rms  I s ,rms  V  I d    Từ suy hệ số cơng suất ngõ vào chỉnh lưu cho là: HSCS  P    (1  cos  ) = 0.636 (với   ) S    Chỉnh lưu pha Bài 6: Giả thiết tải có R = 10, L = (tải trở) Với góc kích    , dạng sóng vd, id vT1 hình Lưu ý dạng sóng vT1 T1 phụ thuộc vào trạng thái đóng ngắt SCR nối chung cực cathode với SCR này: - Khi T1 dẫn (T3, T5 tắt): vT  - Khi T3 dẫn (T1, T5 tắt): vT  van  vbn  vab - Khi T5 dẫn (T1, T3 tắt): vT  van  vcn  vac - Khi SCR tắt: vT  van (do lúc vd = id = 0) Sinh viên tự suy dạng sóng dịng ia (đây dòng qua SCR T1) vab vac van vbn vcn vT1 vd id 0.005 T5 0.01 T1 0.015 T3 0.02 T5 0.025 0.03 T1 Hình Giả thiết tải có R = 10, L đủ lớn để dịng id xem phẳng Với góc kích    , dạng sóng vd vT1 hình Các dạng sóng dòng ngõ (id) dòng ngõ vào pha a (ia) sinh viên tự xem lại slide tương ứng phần lý thuyết Hình Lưu ý dạng sóng vT1 T1 phụ thuộc vào trạng thái đóng ngắt SCR nối chung cực cathode với SCR này: - Khi T1 dẫn (T3, T5 tắt): vT  - Khi T3 dẫn (T1, T5 tắt): vT  van  vbn  vab - Khi T5 dẫn (T1, T3 tắt): vT  van  vcn  vac Bài 7: Với góc kích    , vẽ dạng sóng vd, id, vT1 ia Giả thiết tải có L đủ lớn để dịng id xem phẳng Với góc kích    , dạng sóng vd , id, dòng ngõ vào ia pha a điện áp vT1 T1, hình Lưu ý dạng sóng vT1 T1 phụ thuộc vào trạng thái đóng ngắt SCR nối chung cực cathode với SCR này: - Khi T1 dẫn (T3, T5 tắt): vT  - Khi T3 dẫn (T1, T5 tắt): vT  van  vbn  vab - Khi T5 dẫn (T1, T3 tắt): vT  van  vcn  vac 10 vab vac vbc vba vca vcb vab vac vd id ia vab vac vT1 0.2 0.205 T5 T4 0.21 0.215 T1 T6 0.22 T3 T2 0.225 T5 T4 0.23 T1 T6 Hình Dòng ngõ vào ia phụ thuộc vào trạng thái hoạt động T1 T4: - Khi T1 dẫn T4 tắt: ia  id - Khi T4 dẫn T1 tắt: ia   id - Khi T1 T4 tắt: ia  Với góc kích câu 1, tính trị trung bình dịng ngõ id, công suất ngõ Pd hệ số công suất ngõ vào cầu chỉnh lưu, biết R = 5, E = 150V Theo giả thiết đề bài, dòng tải id phẳng (nghĩa mạch hoạt động chế độ dịng liên tục) nên ta có: Vd   V cos   257.4[V ] (với    ) SV tự vẽ mạch tương đương với Vd Id này, từ suy ra: Vd  RI d  E Dịng ngõ trung bình: I d  Vd  E 257.4  200   11.5 A R 11 Từ đồ thị hình suy dạng dòng ngõ vào Is, rms (ở dòng pha a) hình 9, từ tính biểu thức trị hiệu dụng dòng ngõ vào Is, rms sau: I s ,rms  2 2  is d (t )  2 /3   2 /3   2  I d  t ( ) (  I d ) d (t )    I d   d  2    Hình Công suất ngõ vào chỉnh lưu P = công suất ngõ Pd (bỏ qua tổn hao cầu chỉnh lưu) Vì dịng id phẳng nên cơng suất ngõ tính theo cơng thức: P  Pd  Vd I d Công suất biểu kiến ngõ vào: S  3Vs ,rms  I s ,rms  3V  I d Từ suy hệ số cơng suất ngõ vào chỉnh lưu cho là: HSCS  P   cos  = 0.48 (với   ) S  Bộ chỉnh lưu lúc hoạt động chế độ chỉnh lưu (do góc kích απ/2), chiều truyền cơng suất là: tải  nguồn 12 Bài 8: Vẽ dạng sóng: vd, id, dòng qua diode D4, dòng qua thyristor T1, dòng ngõ vào ia điện áp vT1 với góc kích  = 30o Các dạng sóng hình 10 Về dạng sóng vd, xin xem chi tiết slide giảng tương ứng Hình 10 ( = 30o) Lưu ý dạng sóng vT1 T1 phụ thuộc vào trạng thái đóng ngắt SCR nối chung cực cathode với SCR này: - Khi T1 dẫn (T3, T5 tắt): vT  - Khi T3 dẫn (T1, T5 tắt): vT  van  vbn  vab - Khi T5 dẫn (T1, T3 tắt): vT  van  vcn  vac Dòng ngõ vào ia phụ thuộc vào trạng thái hoạt động T1 D4: - Khi T1 dẫn: ia  id - Khi D4 dẫn: ia   id 13 - Khi T1 D4 tắt, T1 D4 dẫn: ia  Vẽ dạng sóng: vd, id, dịng qua diode D4, dòng qua thyristor T1, dòng ngõ vào ia điện áp vT1 với góc kích  = 90o Các dạng sóng hình 11 Hình 11 ( = 90o) 14 Bài 9: Tính phạm vi thay đổi cần thiết góc kích để dịng nạp ăcquy điều chỉnh khoảng 10A đến 300A Sinh viên tự vẽ mạch tương đương chỉnh lưu tải với thành phần trung bình áp dịng ngõ ra, Vd Id, từ suy quan hệ sau: Vd  RI d  E Từ đây, suy trường hợp Id = 10A, ta có điện áp Vd cần thiết là: Vd  RI d  E  0.5  10  360  365V Và trường hợp Id = 300A, ta có điện áp Vd cần thiết là: Vd  RI d  E  0.5  300  360  510V Với giả thiết dòng id phẳng (nghĩa id liên tục), điện áp Vd tính theo góc kích sau: Vd  V (1  cos  )  1.17V (1  cos  ) 2 Vậy, trường hợp Id = 10A, góc kích cần thiết là: cos   Vd 365  1   0.418  1.17  V 1.17  220 α = 65.3o (1.14 rad) Và trường hợp Id = 300A, góc kích cần thiết là: cos   Vd 510  1   0.98 1.17  V 1.17  220  α = 11.5o (0.2 rad) Như vậy, để dòng Id thay đổi khỏang 10A  300A, góc kích α cần thay đổi từ 65.3o đến 11.5o 15 ... d ,rms  I d2   I n2,rms  15.1 72  2. 2 52  0.4  0.1 82  0.09  15.34 A n Vậy công suất nguồn cung cấp cho chỉnh lưu là: P  Pd  RI d2,rms  10  15.3 42  23 53 .2 W Hệ số công suất ngõ vào... (V) 20 2.15 71.53 46.65 31.1 Zn (Ohm) 63.6 126 188.7 25 1.4 In, rms (A) 2. 25 0.4 0.18 0.09 Công suất nguồn cung cấp Công suất nguồn = công suất tải (bỏ qua tổn hao chỉnh lưu), đó: P  Pd  RI d2,rms...  I 2, m  V2,m R  (? ?2 L)  1 32 10  (2? ?? (2  50)  0.01) 2  11.18 A Tính cơng suất tiêu thụ tải Tương tự cách tính dịng hài bậc n =2 trên, dịng hài bậc n = tính sau: V4,m  2Vm  1  2  22 0