bài giảng điện tử công suất và ứng dụng chương 3

Chương 3: BỘ BIẾN ĐỔI (BBĐ) ĐIỀU KHIỂN PHA Nguyên lý điều khiển pha Điều khiển pha áp xoay chiều Chỉnh lưu diod (không điều khiển) Chỉnh lưu điều khiển pha Mạch phát xung điều khieån pha trang / 37 ch3 DK pha III.1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN PHA: Thyristor - ngắt điện làm việc với nguồn xoay chiều: Thí nghiệm: Lập mạch điện hình 3.1.1 iG ≠ 0: TRIAC dẫn điện (ON): dòng qua tải dạng với áp iG = 0: TRIAC tắt (OFF) dòng (áp) qua zero => TRIAC (và SCR) phần tử đóng ngắt điện AC Điều khiển ON -OFF T1 T2 T G v Điều khiển io R v Hình III.1.2: Dạng áp điều khiển ON – OFF Hình III.1.1 TRIAC làm việc với nguồn AC (a), có đóng ngắt lúc áp qua zero (b) tải R trang / 37 ch3 DK pha Nhận xét: - Thyristor đóng ngắt mạch điện xoay chiều - Khái niệm chuyển mạch lưới ( line commutation ) - ĐIỀU KHIỂN ON-OFF gọi điều khiển toàn chu kỳ (integral cycle control) - Để điều khiển khiển áp ra, ta dùng: ĐIỀU KHIỂN PHA Hình III.1.3: Áp điều khiển pha tải trở ĐN điều khiển pha: - Thyristor làm việc phần chu kỳ (bán kỳ) nguồn AC - ĐK áp cách thay đổi góc điều khiển  (góc thông chậm) trang / 37 ch3 DK pha Khảo sát sơ đồ điều khiển pha SCR : a Khảo sát với tải R: i o T1 Điề u khiể n u u o R   2    wt uO dwt u.dwt  wt  i G1 Trị trung bình áp ra: 2 UO  2 (a) UO  uo io u  wt  U (cos   1) 2 u U2 T1 (b) Nguyeân lý xếp chồng: IO  UO / R Trị số hiệu dụng áp ngỏ ra: U oR  U oR  U 2  2 uo2 dwt  2    2    u2 dwt  U (1  cos 2wt).dwt  U 2     sin wt.dwt [wt  sin 2wt]  U   2 (    sin 2 ) trang / 37 ch3 DK pha Khi  = 0, ta có trị hiệu dụng áp chỉnh lưu diod U /  0.707U b Khảo sát với tải RL: i o T1 u u o io R uo  L u Khaûo sát tương tự trường hợp R Tải RL: tổng trở tải Z  R  L  góc pha   tg 1 dio  u  U sin wt Ở wt =  : dt với điều kiện đầu wt =  , io = uo  R.io  L wL R wt trang / 37 ch3 DK pha Dòng tải io có dạng iO = iO1 + iO2 với * iO1 thành phần xác lập io1  U sin( t   ) Z tổng trở tải Z  R2    L  góc pha taûi   tg 1 wL R * iO2 thành phần độ io  U Z  sin( t   )  sin(   )  e ( t )      Khi wt =  +  dòng không: Hình III.2.7: Phân tích thành phấn áp ngỏ iO = => sin(      )  sin(    )  e hay: sin(      )  : goùc dẫn SCR      sin(    )  e   trang / 37 ch3 DK pha Có góc dẫn , ta tính được: 1 Trị trung bình dòng IO : I o  T T io dt  2  Io  U 2 Z       io dwt  sin( t   )  sin(   )  e ( t )    dwt < III.2.5>   Bài tập: Sử dụng GOAL SEEK Excel để giải trang / 37 ch3 DK pha Bài tập: Sử dụng GOAL SEEK Excel để giải : Màn hình Excel để tìm góc dẫn cho trước góc kích trang / 37 ch3 DK pha III.2 ĐIỀU KHIỂN PHA ÁP XOAY CHIỀU: Khảo sát sơ đồ pha: a Tải điện trở: io u T1 T  i G uo wt Hình III.2.1: BBĐ áp xoay chiều pha dùng triac   wt uT - Trị hiệu dụng áp tải: U OR  T  T u dt  wt  R G u io T2 uo    (U sin  t)2 d t  U  Kiểm tra lại:  = , UOR = U      12 sin 2  trang 10 / 37 ch3 DK pha - Trị hiệu dụng dòng tải: IOR  UOR U  R R      12 sin 2  - Công suất: U  1  uo  PO   uo  io dt   dt  OR T T T T R R Ví dụ: Tìm góc ĐKP  để công suất ½ công suất cực đại (khi đóng trực tiếp vào nguồn) 2 Bài tập: Sử dụng GOAL SEEK Microsoft Excel để giải toán ngược của: Tính góc kích triac để có hiệu dụng áp giá trị mong muốn Tính số: Hiệu dụng áp ngỏ UOR = 110V ứng với nguồn U = 220V hiệu dụng trang 23 / 37 ch3 DK pha Trường hợp tải RL: Xung dòng kéo dài, có dạng trường hợp chỉnh lưu SCR io : góc dẫn SCR nghiệm số sin(      )  sin(    )  e    Trung bình áp giảm so với tải R Io  Uo R uo  i G1 i G2 wt u wt Hình III.4.3: Dạng dòng, áp chỉnh lưu xung, tải RL với dòng gián đoạn trang 24 / 37 ch3 DK pha Trường hợp tải dòng liên tục: io Khi L đủ lớn góc điều khiển pha bé, bề rộng xung  tăng đến giá trị giới hạn  dạng áp không phụ thuộc tải:   u  dwt     U o   U sin wt  dwt  U  cos    với U áp chỉnh lưu diode: uo wt    u  Uo  U  2 U   wt u T1 Hình III.4.4: Dạng dòng, áp dòng tải liên tục Khi L = ∞ , dòng tải trở nên phẳng: giả thuyết dòng tải liên tục, phẳng Bài tập: điều kiện chế độ biên liên tục với  tg–1(wL/R) trang 25 / 37 ch3 DK pha Sơ đồ chỉnh lưu SCR hình tia m xung: - Nguồn hệ thống m pha hình sin e1  U sin  t e2  U sin( t  m1 2 ) e3  U sin( t  m2 2 ) (a) Heä m pha hình sin: T1 e2 T2 e3 T3 em em  U sin( t  mm1 2 ) e1 em e2   u o  e3 e1 m  wt  Tm N i G m (b) Chỉnh lưu m pha (c) Dạng áp ngỏ tải dòng liên tục hình tia Ta có trình tự làm việc SCR: T1  T2  T3  … Tm  T1  T2 => góc dẫn SCR  = 2/m Góc chuyển mạch tự nhiên  (tương ứng với  = 0) cuûa SCR: sin   sin(  2 2   )      (  ) hay    m m m trang 26 / 37 ch3 DK pha Trị trung bình áp ngỏ dòng tải liên tục: Uo  m 2     m  U sin wt.dwt      m Đặt U  m 2   m   m  sin U  m => U cos wt.dwt   m m  sin U cos   m áp ngõ chỉnh lưu diod (khi  = 0) U o  U cos  trang 27 / 37 ch3 DK pha Ví dụ chỉnh lưu xung: hình tia ba pha A T1 B T2 C T3  A Khi dòng tải liên tuïc: 3 Uo  u  dwt  U  cos  o 2 23 2 io B C wt u o N  uo  i G1 i G2 i G3 Khảo sát thêm: wt Khảo sát chỉnh lưu pha hình tia tải R Hoạt động chỉnh lưu m pha hình tia ĐK pha  > 90o với tải dòng liên tục (chế độ nghịch lưu)  u T1 trang 28 / 37 ch3 DK pha Chỉnh lưu SCR sáu xung với tải dòng liên tục: Sơ đồ cầu pha u+ T1 T2 io T3 A B uo C T4 T5 u_  A u+   - nhoùm + : T1, T2, T3 - nhoùm – : T4, T5, T6 Là sơ đồ pha hình tia thứ tự kích SCR: T1  T2  T3  T1 uo u_ i G1 i G2 i G3 i G4 i G5 i G6  T6  T4  T5  T6 Trị trung bình áp ra: (Udo : áp chỉnh lưu diod) Uo  2 2 uo dwt  C T6 Chia laøm nhoùm: B 6   26 (uA  uB ) dwt  U cos   U cos        trang 29 / 37 ch3 DK pha TỔNG KẾT VỀ CHỈNH LƯU ĐK PHA: trang 30 / 37 ch3 DK pha Khảo sát sơ đồ điều khiển không hoàn toàn: Các sơ đồ: T1 T2 u o u D3 io T1 D2 u o u Df D4 io T3 T1 io T3 u o B Df C D4 (a) T2 A D4 (b) D5 D6 (c) Hình III.6.1 Khảo sát sơ đồ chỉnh lưu pha (hình III.6.1.a b) tải RL: - khoảng dẫn điện SCR, D thay đổi theo cách bố trí linh kiện - Áp phần âm - Tăng khoảng điều chỉnh, cải thiện HSCS Uo  U  cos   1  (a) u uO SCR  (b) T2,D4 (c) D2,D4  T1, D4  iO Df T1,D3 T1,D4 D2,D4 SCR Df 2 wt T2, D3 2 wt D2, T3 trang 31 / 37 ch3 DK pha Ví dụ: Cho chỉnh lưu pha hỗn hợp hình III.6.1.a có diod phóng điện Áp nguồn 220 VAC Tải RL, R = 10 ohm, L đủ lớn để xem dòng tải phẳng Tính trị trung bình dòng qua SCR, Diod góc ĐK pha = 45 O Trung bình áp ra: UO = 0.45*220*(1 + cos 45) = 169 volt Trung bình dòng ra: IO = 169/10 = 16.9 A - Tính dòng qua SCR, diod: u Df 45o uo io T1, D4 o 180 -u Df T2, D3 wt trang 32 / 37 ch3 DK pha Công suất HSCS chỉnh lưu điều khiển pha: Khảo sát sơ đồ chỉnh lưu xung tải dòng liên tục phẳng Io T1 T2 u io = I  u o u Io  D3 D4 Công suất tải: i A1 -Io kích T1, T4 wt i A kích T2, T3 Po  U o Io  U Io cos  với U  2.U /    P  U 2.sin wt.Io dwt  Po Công suất tiêu thụ (ngỏ vào): in   Po 2 cos  o cos    Công suất biểu kiến: S = U Io => HS công suất: S  Nhận xét: ■ cos   bất chấp góc điều khiển  dòng không hình sin ■ cos    > 90o: Năng lượng đão chiều Bài tập: Tính lại quan hệ công suất cos  cho chỉnh lưu cầu pha trang 33 / 37 ch3 DK pha III.5 MẠCH PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN PHA : Nguyên lý điều khiển pha: Tạo điều khiển: tần số ( đồng bộ) với lưới điện + pha thay đổi  Với  = : không điều khiển, SCR  D, áp cực đại với tải R, thay đổi theo sơ đồ  u i G wt Hình III.7.1 nguyên lý phát xung điều khiển pha trang 34 / 37 ch3 DK pha Có hai nguyên lý: làm trễ so sánh a Nguyên lý làm trễ: Dựa vào mạch đơn ổn (làm trễ), kích  = 0, phát xung kích thyristor sau Td giây Mạch đồng áp lưới Td Đơn ổn  = w Td  b Nguyên lý so sánh: mạch so sánh hai tín hiệu: - k: tín hiệu điều khiển - b: tín hiệu đồng   + tần số lưới + có độ dốc không đổi dấu khoảng  = min đến  = max (thường laø vaø  u i G  max  u ĐB U ĐK kích SCR wt kích SCR trang 35 / 37 ch3 DK pha Ví dụ: Điều khiển pha dùng đếm: Điều khiển pha dùng đếm Ở thời điểm , đếm xuống có preset nạp số N Giá trị NMAX tương ứng góc MAX thời gian trễ NMAX TCLK Tín hiệu đặt N Đồng  DATA preset DATA = CLK kích SCR Bộ đếm xuống có preset Hình III.7.4 Ta có (a) MAX = w.NMAX TCLK T đếm xuống, tần số CLK đặt DATA = N  (b) DATA = kích SCR t trang 36 / 37 ch3 DK pha Mạch kích chỉnh lưu điều khiển pha theo nguyên lý so sánh: áp dụng rộng rãi dùng vi mạch tương tự (analog) a Sơ đồ khối: - Khối lệch pha  : hiệu chỉnh độ lệch pha áp lưới, cho xung ở ngỏ khám phá zero đưa vào mạch tạo áp đồng - mạch so sánh định thời điểm kích SCR - Mạch đơn ổn ngõ so sánh xác định bề rộng xung kích SCR - khối logic: phối hợp mạch phát xung pha - Khối khuếch đại ghép nâng mức công suất xung nối vào cực cổng SCR Pha lưới Xung từ pha khác Lệch pha  Khám phá ZERO Mạch phát xung ĐK pha  Tạo áp đồng k u đb  so sánh LOGIC Đơn ổn K đại & ghép SCR chỉnh lưu trang 37 / 37 ch3 DK pha III.6 ỨNG DỤNG CHỈNH LƯU: Có hai nhóm ứng dụng: - Truyền động điện động chiều - nguồn chiều + chỉnh lưu đầu vào cho thiết bị điện tử + dòng điện lớn cho trình công nghệ Đọc thêm tiết, làm tập ... trang 37 / 37 ch3 DK pha III.6 ỨNG DỤNG CHỈNH LƯU: Có hai nhóm ứng dụng: - Truyền động điện động chiều - nguồn chiều + chỉnh lưu đầu vào cho thiết bị điện tử + dòng điện lớn cho trình công nghệ... wt trang 12 / 37 ch3 DK pha * Yêu cầu kích xung rộng: Hình III .3. 3: Quá trình độ ĐKP áp xoay chiều pha Ứng dụng: Điều khiển T2 33 G 0.1u Out R In T1 a Điều khiển ON – OFF: (b) Sử dụng. .. 180 -u Df T2, D3 wt trang 32 / 37 ch3 DK pha Công suất HSCS chỉnh lưu điều khiển pha: Khảo sát sơ đồ chỉnh lưu xung tải dòng liên tục phẳng Io T1 T2 u io = I  u o u Io  D3 D4 Công suất tải: i